某船用齿轮结构拓扑优化设计.pdf

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1、第37卷第2期舰船科学技术V01．37，No．22015年2月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYFeb．，20150某船用齿轮结构拓扑优化设计邱卉颖(德州职业技术学院，山东德州253000)摘要：为提高某船用齿轮结构材料利用率实现其轻量化设计，将拓扑优化技术应用于齿轮结构优化设计。将齿轮截面作为研究对象，将其简化为一平面有限元问题。以齿轮单元密度作为设计变量，最大化齿轮结构刚度为目标函数，轮辐部分优化前后体积比作为约束，对其进行拓扑优化。研究不同轮辐数量、不同体积比情况下齿轮的结构传力路径。结果表明：轮

2、辐部分体积比在0．4～0．6范围时，结构具有较好的刚度，并且加工工艺性优良。本文对于齿轮轮辐部分的拓扑优化结果为实际工程设计提供了指导。关键词：拓扑优化；齿轮；轮辐；有限元中图分类号：TBll4；THl32．41文献标识码：A文章编号：1672—7649(2015)02—0176—04doi：10．3404／j．issn．1672—7649．2015．02．039TopologyoptimizationinmarinegearoptimaldesignQIUHui--ying(DezhouVocationalandT

3、echnicalCollege，Dezhou253000，China)Abstract：Inordertoimprovetheutilizationofmarinegearstructuralmaterialstoachieveitslightweightdesign，thetopologyoptimizationtechnologywasappliedtothegearstructuraloptimizationdesign．Thegearsectionissimplifiedas2一Dfiniteelementp

4、roblems．Consideringtheelementdensityasdesignvariables，volumeasconstraintfunction，andmaximizethestructuralstiffnessasobjectivefunctionofthetopologyoptimization．Theforcetransmissionpathisoptimizedunderdifferentspokesnumberandvolumeratio．Theresultsshowedthat：whent

5、hevolumeratioofthespokebetweentheranges0．4～0．6，thegearwillachievegoodstructuralrigidity，andgreatconvenienceinmanufacturing．Inthispaper，thetopologyoptimizationofgearspokewillprovideguidanceforthepracticalengineeringdesignproblems．Keywords：topologyoptimization；ge

6、ar；spoke；finiteelementmethod．-百齿轮可分为车辆齿轮和工业齿轮。通常把直径介于500～3000mm的称为大型齿轮，是大型装备的关键零部件，广泛应用于发电、建材、船舶、矿山机械等重要领域，在国民经济和国防建设中具有不可替代性⋯。近年来，随着绿色环保等节能概念的提出，船舶结构轻量化设计引起人们的注意旧。31。工业大齿轮的设计往往是根据标准进行选型，齿轮在工作过程中，部分材料应力小，材料的性能未能充分发挥，使得材料有所浪费，这种现象对于大齿轮的质量增加尤为明显。拓扑优化是一种基于有限元分析以及现

7、代优化理论的优化方法，可根据给定的结构边界条件以及外载荷，对结构进行有限元分析，通过对有限元分析的结果对各单元应力进行灵敏度分析，将应力较小的单元删除，保留应力大的单元，最终形成最佳传力路径”‘51。为了对某船用齿轮进行轻量化设计，又不影响到整个传动系统的重新设计，本文将拓扑优化技术收稿日期：2014—05—27；修回日期：2014—07—18作者简介：邱卉颖(1964一)，女，副教授，研究方向为计算机辅助设计与制造。弓第2期邱卉颖：某船用齿轮结构拓扑优化设计·177·应用于齿轮结构的改型设计，在保证齿数、齿形等运动

8、参数不变的情况下，对齿轮拓扑结构进行优化，为齿轮设计提供参考。1齿轮参数建模某船用齿轮结构参数如表1所示。根据齿轮参数采用Caxa软件对齿轮截面二维曲线进行生成，并以dwg格式导入ug三维建模环境，利用ug三维建模功能完成后续建模并以iges格式导人hypermesh进行有限元建模。表1齿轮结构参数Tab．1Parametersofgearst