本發(fā)明涉及一種齒面加載性能優(yōu)化方法,特別是關(guān)于一種考慮齒根彎曲強(qiáng)度的螺旋錐齒輪齒面加載性能優(yōu)化方法。
背景技術(shù):
螺旋錐齒輪由于具有傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于汽車和航空領(lǐng)域。為獲得性能良好的齒面,齒輪設(shè)計(jì)師需要對(duì)齒面預(yù)控參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整試算直至得到比較理想的結(jié)果,該過程需要依賴于齒輪設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn),同時(shí)還需進(jìn)行多次齒面加載分析,消耗大量時(shí)間。因此,齒面加載性能優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的工程價(jià)值。
在齒面加載性能優(yōu)化問題中,simon(參考文獻(xiàn):simonv.optimalmachinetoolsettingforhypoidgearsimprovingloaddistribution.)以刀具參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,以降低最大接觸應(yīng)力為目標(biāo)對(duì)齒面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),但其優(yōu)化過程中沒有考慮齒根彎曲應(yīng)力和加載傳動(dòng)誤差;artoni,gabiccini等(參考文獻(xiàn):artonia,braccia,gabiccinim,guiggianim.optimizationoftheloadedcontactpatterninhypoidgearsbyautomatictopographymodification.和gabiccinim,braccia,guiggianim.optimizationoftheloadedcontactpatterninhypoidgearswithuncertainmisalignments.)以參數(shù)化修形面的參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,對(duì)齒面加載接觸區(qū)進(jìn)行了無約束優(yōu)化,但在其優(yōu)化模型中也僅考慮了接觸區(qū)域位置,并未考慮加載傳動(dòng)誤差及齒輪的彎曲和接觸應(yīng)力;后續(xù)artoni(參考文獻(xiàn):artonia,kolivandm,kahraman.anease-offbasedoptimizationoftheloadedtransmissionerrorofhypoidgears.journalofmechanicaldesign.)還采用上述設(shè)計(jì)變量,建立了以加載傳動(dòng)誤差為目標(biāo),同時(shí)約束接觸區(qū)域位置的齒面優(yōu)化模型,但也未考慮齒根彎曲應(yīng)力。
從現(xiàn)有的優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以看出,加載優(yōu)化問題中均沒有考慮齒根彎曲應(yīng)力這一因素,而過大的齒根彎曲應(yīng)力會(huì)造成斷齒,是優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。之所以未考慮這一因素的原因在于,進(jìn)行齒面加載接觸分析(ltca)時(shí)通常采用一種半解析的計(jì)算方法(參考文獻(xiàn):wilcoxl,thomasdc,gregorycn.improvedfiniteelementmodelforcalculatingstressesinbevelandhypoidgearteeth和fanq,wilcoxl.newdevelopmentsintoothcontactanalysisandloadedtcaforspiralbevelandhypoidgeardrives),即利用網(wǎng)格尺寸較大的輪齒有限元模型(簡(jiǎn)稱粗糙有限元模型)計(jì)算彎曲剛度,利用韋伯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算接觸變形和剪切變形。但是采用粗糙有限元模型無法準(zhǔn)確計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力,若采用精細(xì)的有限元模型則由于計(jì)算量大,不適用于優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中多次重復(fù)計(jì)算。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)上述問題,本發(fā)明的目的是提供一種兼顧計(jì)算準(zhǔn)確性與計(jì)算效率的考慮齒根彎曲強(qiáng)度的螺旋錐齒輪齒面加載性能優(yōu)化方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種考慮齒根彎曲強(qiáng)度的螺旋錐齒輪齒面加載性能優(yōu)化方法,其特征在于,該方法包括以下步驟:
1)建立考慮齒根彎曲應(yīng)力的螺旋錐齒輪齒面加載優(yōu)化模型,包括以下內(nèi)容:
①設(shè)計(jì)變量:以螺旋錐齒輪中小輪的齒面修形面設(shè)計(jì)參數(shù)作為優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量,3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)分別是預(yù)控傳動(dòng)誤差曲線系數(shù)a、接觸跡線斜率ks和接觸半寬b;
②目標(biāo)函數(shù):齒面加載性能優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)用理想的加載接觸區(qū)與實(shí)際加載接觸區(qū)之差δs表示;
③約束函數(shù):齒面加載性能優(yōu)化的約束函數(shù)包括齒面最大接觸應(yīng)力σc、加載傳動(dòng)誤差峰峰值lte和大小齒輪的齒根最大彎曲應(yīng)力σpstress和σgstress;
最后得到考慮齒根彎曲應(yīng)力的螺旋錐齒輪齒面優(yōu)化模型如下:
findks,a,b
minδs
s.t.σc-σac≤0
lte-ltemax≤0
σpstress-σab≤0
σgstress-σab≤0
上式中,σac為許用最大接觸應(yīng)力;ltemax為傳動(dòng)誤差峰峰值最大值;σab為齒根彎曲應(yīng)力許用值;
2)建立考慮齒根彎曲應(yīng)力的齒面加載接觸分析方法:
在通過原有不考慮齒根彎曲應(yīng)力時(shí)齒面加載接觸分析獲得載荷分布后,增加以下考慮齒根彎曲應(yīng)力的計(jì)算過程:
①采用matlab自編程序?qū)嘄X網(wǎng)格自動(dòng)進(jìn)行細(xì)化,得到用于齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算的有限元網(wǎng)格;
②使用得到的載荷分布,利用matlab自編程序?qū)⑤d荷自動(dòng)施加到新加密的有限元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)上;
③通過matlab自編程序自動(dòng)將迭代時(shí)刻t的齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算的有限元網(wǎng)格傳入商用有限元計(jì)算軟件中進(jìn)行計(jì)算,并返回該時(shí)刻齒根應(yīng)力計(jì)算結(jié)果;
④判斷是否是最后時(shí)刻:當(dāng)?shù)鷷r(shí)刻t未到達(dá)最后時(shí)刻時(shí),更新迭代時(shí)刻tn=t+1,并在新的迭代時(shí)刻tn重復(fù)上述步驟①~③;當(dāng)?shù)鷷r(shí)刻t到達(dá)最后時(shí)刻時(shí),計(jì)算完成;
3)建立齒面加載優(yōu)化問題的代理模型并進(jìn)行優(yōu)化求解:
①確定步驟1)中設(shè)計(jì)變量的取值范圍;
②根據(jù)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立采樣點(diǎn);
③利用步驟2)建立的齒面加載接觸分析方法對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行齒面加載接觸分析;
④獲得采樣點(diǎn)目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的響應(yīng)值,從而獲得初始采樣點(diǎn)集;
⑤利用初始采樣點(diǎn)集擬合kriging代理模型,kriging代理模型表示為下式:
y(x)=f(x)β+z(x)
其中,y(x)為未知的kriging代理模型;f(x)為已知的回歸模型;β為待定的回歸系數(shù);z(x)為均值為0、方差為σ2的隨機(jī)過程;σ為標(biāo)準(zhǔn)差;
⑥利用建立的kriging代理模型尋找設(shè)計(jì)變量的取值范圍內(nèi)滿足步驟1)中約束條件的最大ei值的設(shè)計(jì)點(diǎn):若最大ei值小于其設(shè)定閾值,則進(jìn)入步驟⑩;若最大ei值大于其設(shè)定閾值,則進(jìn)入步驟⑦;
⑦找到最大ei值對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn);
⑧利用步驟2)建立的齒面加載接觸分析方法,計(jì)算該ei值最大設(shè)計(jì)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的響應(yīng)值;
⑨將步驟⑧中ei值最大設(shè)計(jì)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的響應(yīng)值加入到擬合kriging代理模型采用的初始樣本點(diǎn)集中,并返回步驟⑤;
⑩kriging代理模型建立完成,并采用下山單純形優(yōu)化方法對(duì)kriging代理模型求解,獲得最優(yōu)解,即獲得最優(yōu)的齒面結(jié)果。
預(yù)控傳動(dòng)誤差曲線系數(shù)a是以下螺旋錐齒輪傳動(dòng)誤差計(jì)算公式中的空載傳動(dòng)誤差曲線的系數(shù):
上式中,φ1,φ2分別為小輪和大輪嚙合時(shí)的轉(zhuǎn)角;
加載接觸區(qū)與實(shí)際加載接觸區(qū)之差δs包括兩部分區(qū)域:一是實(shí)際接觸印跡超出理想?yún)^(qū)域的部分s1,二是在理想接觸區(qū)內(nèi)與實(shí)際接觸印跡不重合的部分s2,δs=s1+s2。
齒面最大接觸應(yīng)力σc由加載接觸應(yīng)力云圖確定;加載傳動(dòng)誤差峰峰值lte由加載傳動(dòng)誤差曲線確定,其表示的是加載傳動(dòng)誤差曲線的最大值與最小值之差;大小齒輪的齒根最大彎曲應(yīng)力σpstress和σgstress由齒根彎曲應(yīng)力云圖。
對(duì)于任意一設(shè)計(jì)點(diǎn)的ei值由下式表示:
上式中,fmin為所有采樣點(diǎn)的最小值;
對(duì)約束函數(shù)采用下式進(jìn)行計(jì)算:
上式中,gi(x)代表第i個(gè)約束函數(shù);
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案,其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明首先在優(yōu)化模型中考慮了齒根彎曲應(yīng)力,其次為了解決計(jì)算量大的問題,引入了kriging代理建模方法,建立齒面加載性能優(yōu)化問題的代理模型,并利用代理模型獲得最優(yōu)解,獲得的齒面優(yōu)化結(jié)果考慮了齒根彎曲應(yīng)力,考慮因素更為全面。2、本發(fā)明由于引入了kriging代理建模方法,使真實(shí)ltca計(jì)算轉(zhuǎn)化為了代理模型,從而提高了計(jì)算效率;同時(shí),由于基于最大ei值逐步更新的kriging代理建模過程保證了代理模型精度最大程度的接近真實(shí)模型,從而保證了計(jì)算準(zhǔn)確性。3、本發(fā)明的齒面優(yōu)化方法均為程序自動(dòng)化處理,不需要人為干預(yù)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明接觸跡線斜率和接觸半寬示意圖;
圖2是本發(fā)明加載接觸印跡示意圖;
圖3是本發(fā)明加載接觸應(yīng)力云圖;
圖4是本發(fā)明加載傳動(dòng)誤差曲線圖;
圖5是本發(fā)明齒根彎曲應(yīng)力云圖;
圖6是本發(fā)明考慮彎曲強(qiáng)度計(jì)算的齒面加載接觸分析流程圖;
圖7是本發(fā)明建立齒面加載優(yōu)化問題代理模型的流程圖;
圖8是本發(fā)明近似模型建立過程中ei值的變化過程示意圖;
圖9是本發(fā)明優(yōu)化后的加載接觸印跡示意圖;
圖10是本發(fā)明優(yōu)化后的加載接觸應(yīng)力云圖;
圖11是本發(fā)明優(yōu)化后的加載傳動(dòng)誤差曲線圖;
圖12是本發(fā)明優(yōu)化后的小齒輪齒根彎曲應(yīng)力云圖;
圖13是本發(fā)明優(yōu)化后的大齒輪齒根彎曲應(yīng)力云圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。然而應(yīng)當(dāng)理解,附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明,它們不應(yīng)該理解成對(duì)本發(fā)明的限制。
本發(fā)明提供的考慮齒根彎曲強(qiáng)度的螺旋錐齒輪齒面加載性能優(yōu)化方法,其包括以下步驟:
1)建立考慮齒根彎曲應(yīng)力的螺旋錐齒輪齒面加載優(yōu)化模型,包括以下內(nèi)容:
①設(shè)計(jì)變量:
以螺旋錐齒輪中小輪的齒面修形面設(shè)計(jì)參數(shù)作為優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量,3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)分別是預(yù)控傳動(dòng)誤差曲線系數(shù)a、接觸跡線斜率ks和接觸半寬b。其中,預(yù)控傳動(dòng)誤差曲線系數(shù)a是螺旋錐齒輪傳動(dòng)誤差計(jì)算公式(1)中的空載傳動(dòng)誤差曲線的系數(shù),用來控制空載傳動(dòng)誤差的峰峰值。如圖1所示,接觸跡線斜率用ks代表在圖示坐標(biāo)系中接觸跡線c1c2的斜率,接觸半寬用b代表修形面上的點(diǎn)到接觸跡線的距離。接觸中心a設(shè)定在齒面修形面中心位置,從而保證空載傳動(dòng)誤差曲線的對(duì)稱性。
上式中,φ1,φ2分別為小輪和大輪嚙合時(shí)的轉(zhuǎn)角;
②目標(biāo)函數(shù):
齒面加載性能優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)用理想的加載接觸區(qū)與實(shí)際加載接觸區(qū)之差δs表示,δs包括兩部分區(qū)域:一是實(shí)際接觸印跡超出理想?yún)^(qū)域的部分s1,二是在理想接觸區(qū)內(nèi)與實(shí)際接觸印跡不重合的部分s2,δs=s1+s2。
③約束函數(shù):
齒面加載性能優(yōu)化的約束函數(shù)包括3項(xiàng):一是由加載接觸應(yīng)力云圖確定的齒面最大接觸應(yīng)力σc(如圖3所示);二是由加載傳動(dòng)誤差曲線確定的加載傳動(dòng)誤差峰峰值lte(如圖4所示),其表示的是加載傳動(dòng)誤差曲線的最大值與最小值之差;三是由齒根彎曲應(yīng)力云圖確定的大小齒輪的齒根最大彎曲應(yīng)力σpstress和σgstress(如圖5所示)。
最后得到考慮齒根彎曲應(yīng)力的螺旋錐齒輪齒面優(yōu)化模型如下:
上式中,σac為許用最大接觸應(yīng)力;ltemax為傳動(dòng)誤差峰峰值最大值;σab為齒根彎曲應(yīng)力許用值。
2)建立考慮齒根彎曲應(yīng)力的ltca自動(dòng)計(jì)算方法:
在通過原有不考慮齒根彎曲應(yīng)力時(shí)齒面加載接觸分析(ltca)獲得載荷分布后(該過程屬于現(xiàn)有技術(shù),故不再贅述),增加以下考慮齒根彎曲應(yīng)力的計(jì)算過程:
①采用matlab自編程序?qū)嘄X網(wǎng)格自動(dòng)進(jìn)行細(xì)化,得到用于齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算的有限元網(wǎng)格;
②使用得到的載荷分布,利用matlab自編程序?qū)⑤d荷自動(dòng)施加到新加密的有限元網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)上;
③通過matlab自編程序自動(dòng)將迭代時(shí)刻t的齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算的有限元網(wǎng)格傳入商用有限元計(jì)算軟件中(例如nastran)進(jìn)行計(jì)算,并返回該時(shí)刻齒根應(yīng)力計(jì)算結(jié)果;
④判斷是否是最后時(shí)刻:當(dāng)?shù)鷷r(shí)刻t未到達(dá)最后時(shí)刻時(shí),更新迭代時(shí)刻tn=t+1,并在新的迭代時(shí)刻tn重復(fù)上述步驟①~③;當(dāng)?shù)鷷r(shí)刻t到達(dá)最后時(shí)刻時(shí),計(jì)算完成。
3)建立齒面加載優(yōu)化問題的代理模型并進(jìn)行優(yōu)化求解(如圖7所示):
①確定步驟1)中設(shè)計(jì)變量的取值范圍;
②根據(jù)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立采樣點(diǎn);
③利用步驟2)建立的ltca自動(dòng)計(jì)算方法對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行l(wèi)tca計(jì)算;
④獲得采樣點(diǎn)目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的響應(yīng)值,從而獲得初始采樣點(diǎn)集;
⑤利用初始采樣點(diǎn)集擬合kriging代理模型(該過程是一種通用的數(shù)學(xué)方法,故不再贅述),kriging代理模型表示為下式:
y(x)=f(x)β+z(x)(3)
其中,y(x)為未知的kriging代理模型;f(x)為已知的回歸模型,通常為多項(xiàng)式函數(shù),可以將其寫為f(x)=[f1(x),f2(x),...,fp(x)]t;β為待定的回歸系數(shù);z(x)為均值為0、方差為σ2的隨機(jī)過程;σ為標(biāo)準(zhǔn)差;
⑥利用建立的kriging代理模型尋找設(shè)計(jì)變量的取值范圍內(nèi)滿足步驟1)中約束條件的最大ei值的設(shè)計(jì)點(diǎn):若最大ei值小于其設(shè)定閾值,則進(jìn)入步驟⑩;若最大ei值大于其設(shè)定閾值,則進(jìn)入步驟⑦;
⑦找到最大ei值對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn);
⑧利用步驟2)建立的ltca自動(dòng)計(jì)算方法,計(jì)算該ei值最大設(shè)計(jì)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的響應(yīng)值;
⑨將步驟⑧中ei值最大設(shè)計(jì)點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的響應(yīng)值加入到擬合kriging代理模型采用的初始樣本點(diǎn)集中,并返回步驟⑤;
⑩kriging代理模型建立完成,并采用下山單純形優(yōu)化方法(該方法是一種通用的數(shù)學(xué)方法,故不再贅述)對(duì)kriging代理模型求解,獲得最優(yōu)解,即獲得最優(yōu)的齒面結(jié)果。
上述步驟⑥中,對(duì)于任意一設(shè)計(jì)點(diǎn)的ei值由式(4)表示:
上式中,fmin為所有采樣點(diǎn)的最小值;
對(duì)約束函數(shù)采用式(5)進(jìn)行計(jì)算:
上式中,gi(x)代表第i個(gè)約束函數(shù);
下面通過一個(gè)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法的步驟及達(dá)到的效果進(jìn)行說明。
取一對(duì)螺旋錐齒輪副,該齒輪副設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
表1螺旋錐齒輪副基本參數(shù)表
步驟1:利用上述步驟1)的方法建立考慮齒根彎曲應(yīng)力的螺旋錐齒輪齒面優(yōu)化模型:
其中,σac=1500mpa,ltemax=20μrad,σab=300mpa。
步驟2:采用拉丁超立方采樣方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),并利用上述步驟2)中l(wèi)tca自動(dòng)計(jì)算方法得到目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的響應(yīng)值,計(jì)算工況采用齒輪副滿載工況輸入轉(zhuǎn)矩1500nm。
步驟3:利用上述步驟3)的方法建立代理模型,在進(jìn)行了12次計(jì)算后,得到最終的代理模型,在建模過程中ei值變化曲線如圖8所示,獲得代理模型目標(biāo)函數(shù)和約束的kriging代理模型如下表:
表2目標(biāo)函數(shù)近似模型參數(shù)
表3約束函數(shù)傳動(dòng)誤差峰峰值近似模型參數(shù)
表4約束函數(shù)最大接觸應(yīng)力近似模型參數(shù)
表5約束函數(shù)小齒輪最大彎曲應(yīng)力近似模型參數(shù)
表6約束函數(shù)大齒輪最大彎曲應(yīng)力近似模型參數(shù)
步驟4:采用得到的代理模型進(jìn)行優(yōu)化獲得最優(yōu)解為a=-0.002528,b=0.3651,ks=-3.2055。表7為在最優(yōu)值點(diǎn)處分別通過擬合模型和真實(shí)計(jì)算獲得的目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)值,可以看出其最大誤差為2.83%。該最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的齒面加載接觸區(qū)如圖9,加載接觸應(yīng)力如圖10所示,加載傳動(dòng)誤差曲線如圖11,齒根彎曲應(yīng)力最大時(shí)刻如圖12和13所示,分別對(duì)應(yīng)小輪與大輪。
表7最優(yōu)值點(diǎn)處目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)擬合估值與真實(shí)計(jì)算值對(duì)比
該齒面未優(yōu)化前的性能如圖2~5所示,優(yōu)化后通過結(jié)果可以看出,利用本發(fā)明優(yōu)化得到的最優(yōu)解:(1)優(yōu)化后齒面加載接觸區(qū)除兩個(gè)邊角微小部分外基本都落入理想接觸區(qū),δs值為58.5882mm2比優(yōu)化前減小22.1%(優(yōu)化前為75.2126mm2),理想接觸區(qū)外的面積s1為1.6mm2,比原來減小84.2%(優(yōu)化前為10.15mm2)。(2)優(yōu)化后沒有出現(xiàn)邊緣接觸,在齒頂、齒根、小端和大端均未有脫出現(xiàn)象,最大接觸應(yīng)力值出現(xiàn)在中部和中部偏齒頂區(qū)域,接觸區(qū)域邊緣距離齒頂仍有約1~2mm左右的距離,確保了不會(huì)出現(xiàn)齒頂邊緣接觸的情況。(3)對(duì)于其它各項(xiàng)約束指標(biāo),最大接觸應(yīng)力為1422.0mpa,比優(yōu)化前最大接觸應(yīng)力減小10.2%(優(yōu)化前為1583.6mpa),加載傳動(dòng)誤差峰峰值為19.41μrad,比優(yōu)化前減小32.3%(優(yōu)化前為28.67μrad)。小齒輪和大齒輪的最大齒根彎曲應(yīng)力分別為299.7mpa和281.3mpa,相比原設(shè)計(jì)分別減小6.8%和3.6%(優(yōu)化前分別為321.5mpa和291.9mpa)。
上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明,其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的,凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn),均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。