[发明专利]一种轨道交通车辆齿轮箱箱体静动态特性联合分析与优化方法

说明书

本发明主要解决现有的技术一般只优化静态特性或动态特性中的一项，未能全面考虑箱体的两方面特性，在箱体结构优化过程中过于重视轻量化，未充分优化箱体结构的静动态特性的问题，提供了一种轨道交通车辆齿轮箱箱体静动态特性联合分析与优化方法，综合分析轨道交通车辆齿轮箱箱体的静态特性和动态特性，并从这两方面对箱体进行联合优化，在全面分析箱体静态特性和动态特性的基础上，通过两次拓扑优化，不仅提高齿轮箱箱体在复杂工况环境下的力学性能，还提高箱体的多阶固有频率、避免共振，对箱体的安全性、可靠性和振动特性有明显的改善作用，对提升轨道交通车辆性能有着积极意义。

技术领域

本发明涉及齿轮箱设计领域，尤其涉及一种齿轮箱箱体静动态特性联合分析与优化方法。

背景技术

齿轮箱是轨道交通车辆中的重要基础部件，发挥着变速、变矩的作用。轨道交通车辆齿轮箱在高速运行过程中承受非恒定重载与剧烈振动，易出现箱体开裂等失效情况。据统计，轨道交通车辆的机械故障逾一半来自齿轮箱，齿轮箱结构的可靠性对轨道交通车辆影响巨大。

目前国内外尚无专门针对轨道交通车辆齿轮箱箱体的优化方法。与本发明创造关系最密切的现有技术主要是针对一般工业产品箱体的优化方法。这些方法大多是基于参数优化方法、形貌优化方法或拓扑优化方法对箱体的静态特性或动态特性进行优化。

发明内容

本发明主要解决现有的技术一般只优化静态特性或动态特性中的一项，未能全面考虑箱体的两方面特性，在箱体结构优化过程中过于重视轻量化，未充分优化箱体结构的静动态特性的问题，提供了一种轨道交通车辆齿轮箱箱体静动态特性联合分析与优化方法，综合分析轨道交通车辆齿轮箱箱体的静态特性和动态特性，并从这两方面对箱体进行联合优化，在全面分析箱体静态特性和动态特性的基础上，通过两次拓扑优化，不仅提高齿轮箱箱体在复杂工况环境下的力学性能，还提高箱体的多阶固有频率、避免共振，对箱体的安全性、可靠性和振动特性有明显的改善作用，对提升轨道交通车辆性能有着积极意义。

上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

包括以下步骤：

S1：对齿轮箱箱体进行模态参数识别；

S2：获得瞬态最大应力、最大变形等动态特性指标；

S3：进行第一次拓扑优化设置；

S4：进行第二次拓扑优化设置。

本发明全面分析了轨道交通齿轮箱箱体的结构性能，为箱体的性能评估提供了依据，为箱体的静动态特性优化提供了基础。

作为优选，所述的S1具体步骤如下：

S11：几何模型建立，根据轨道交通齿轮箱上箱体和下箱体零件图，采用SolidWorks软件建立相应的三维几何模型；

S12：几何清理，利用SolidWorks软件的连接重组功能将上箱体和下箱体合成单一实体，并删除小圆角和小螺纹孔等对后续无重大影响的结构；

S13：网格划分，将几何模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench中，利用ANSYSWorkbench对箱体几何模型进行四面体网格划分；考虑到箱体轴承孔附近结构复杂，特将箱体轴承孔附近的网格局部细化；

S14：约束施加，根据轨道交通齿轮箱的工作原理，箱体一端通过吊杆与轨道交通车辆的构架相连，大轴承孔上支承着车轮轴，因此对箱体一端和大轴承孔进行约束，限制箱体与吊杆结合面的全部自由度，同时约束了大轴承孔除绕自身轴线的转动自由度以外的其它五个自由度；

S15：模态分析，调用ANSYS Workbench的Modal模块进行模态分析，得到多阶模态频率大小和振型描述等动态特性指标；