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1、第37卷第2期艦船科學(xué)技術(shù)V01．37，No．22015年2月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYFeb．，20150某船用齒輪結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)邱卉穎(德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州253000)摘要：為提高某船用齒輪結(jié)構(gòu)材料利用率實(shí)現(xiàn)其輕量化設(shè)計(jì)，將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。將齒輪截面作為研究對象，將其簡化為一平面有限元問題。以齒輪單元密度作為設(shè)計(jì)變量，最大化齒輪結(jié)構(gòu)剛度為目標(biāo)函數(shù)，輪輻部分優(yōu)化前后體積比作為約束，對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。研究不同輪輻數(shù)量、不同體積比情況下齒輪的結(jié)構(gòu)傳力路徑。結(jié)果表明：輪
2、輻部分體積比在0．4～0．6范圍時(shí)，結(jié)構(gòu)具有較好的剛度，并且加工工藝性優(yōu)良。本文對于齒輪輪輻部分的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化；齒輪；輪輻；有限元中圖分類號：TBll4；THl32．41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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．-百齒輪可分為車輛齒輪和工業(yè)齒輪。通常把直徑介于500～3000mm的稱為大型齒輪，是大型裝備的關(guān)鍵零部件，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、建材、船舶、礦山機(jī)械等重要領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中具有不可替代性?。近年來，隨著綠色環(huán)保等節(jié)能概念的提出，船舶結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)引起人們的注意舊。31。工業(yè)大齒輪的設(shè)計(jì)往往是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選型，齒輪在工作過程中，部分材料應(yīng)力小，材料的性能未能充分發(fā)揮，使得材料有所浪費(fèi)，這種現(xiàn)象對于大齒輪的質(zhì)量增加尤為明顯。拓?fù)鋬?yōu)化是一種基于有限元分析以及現(xiàn)
7、代優(yōu)化理論的優(yōu)化方法，可根據(jù)給定的結(jié)構(gòu)邊界條件以及外載荷，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，通過對有限元分析的結(jié)果對各單元應(yīng)力進(jìn)行靈敏度分析，將應(yīng)力較小的單元?jiǎng)h除，保留應(yīng)力大的單元，最終形成最佳傳力路徑”‘51。為了對某船用齒輪進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，又不影響到整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)，本文將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)收稿日期：2014—05—27；修回日期：2014—07—18作者簡介：邱卉穎(1964一)，女，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造。弓第2期邱卉穎：某船用齒輪結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)·177·應(yīng)用于齒輪結(jié)構(gòu)的改型設(shè)計(jì)，在保證齒數(shù)、齒形等運(yùn)動(dòng)
8、參數(shù)不變的情況下，對齒輪拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為齒輪設(shè)計(jì)提供參考。1齒輪參數(shù)建模某船用齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。根據(jù)齒輪參數(shù)采用Caxa軟件對齒輪截面二維曲線進(jìn)行生成，并以dwg格式導(dǎo)入ug三維建模環(huán)境，利用ug三維建模功能完成后續(xù)建模并以iges格式導(dǎo)人hypermesh進(jìn)行有限元建模。表1齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab．1Parametersofgearst
