中文摘要：

本项目针对航空、航海、电力、运输、冶金等高速重载齿轮装置迫切需要解决的减振降噪综合技术难题，在集成申请者近年来在非线性振动分析已有成果的基础上，开展齿轮系统非线性耦合噪声预估与动力优化方法研究。通过高速重载齿轮装置结构噪声及辐射噪声产生机理分析，结合多体接触力学、机械动力学、声学理论以及动态仿真和试验技术，并综合考虑载荷、转速等工况条件及时变刚度、啮合冲击、齿面误差、齿侧间隙、齿面摩擦及轴承游隙等内部激励，建立包括齿轮、轴、轴承、箱体等的齿轮系统非线性声-结构耦合分析模型，进行有限元和边界元耦合分析，实现非线性结构噪声及辐射噪声预估；进而建立齿轮系统模态参数与动态响应联合优化的数学模型，综合零阶优化和一阶优化技术搜寻最优目标及设计参数。提出基于动力优化的大扭矩、高转速、低噪声、轻量化齿轮系统设计理论与方法，突破高速重载齿轮系统动态设计的关键技术，实现齿轮装置减振降噪的目的。

结论摘要：

齿轮传动是机械系统中应用最为广泛的动力和运动传递形式，很大程度上决定着装备系统的性能。随着科学技术的进步，齿轮传动正朝着大功率、高转速、轻量化方向发展，特别是高速重载齿轮系统，由于激励源多、激振频率高、啮合冲击大，振动噪声问题已成为制约系统动力学性能的瓶颈问题。 本项目针对高速重载齿轮装置迫切需要解决的减振降噪技术难题，围绕多源激励下齿轮系统振动噪声传递机理与动态使役行为演化规律这一关键科学问题，开展齿轮系统非线性耦合噪声预估与动力优化方法研究，包括耦合非线性结构噪声仿真方法，辐射噪声预估及灵敏度分析，动力优化数学模型和计算方法，振动噪声试验及动力学模型修正。项目的主要研究进展及结果如下 (1) 综合考虑轮齿时变刚度、传动误差、齿侧间隙、齿面摩擦、轴承支撑等因素，建立了传动系统耦合非线性动力学模型，求得转速、负载、侧隙、误差、刚度等非线性因素对系统响应的影响规律；结合模态试验与参数识别，建立了包括齿轮、轴、轴承、箱体的齿轮系统有限元分析模型，实现了结构噪声的准确预估，分析了齿轮修形、结构阻尼、支撑刚度等对系统结构噪声的影响。 (2) 以振动加速度为目标函数，建立传动系统混合离散优化模型，利用分支定界算法求得最优齿数、模数、螺旋角等设计变量。以振动模态和动态响应为目标函数，建立了齿轮箱模态-响应联合优化模型，通过灵敏度分析确定箱体优化设计变量，采用零阶和一阶优化方法进行联合优化，优化后齿轮箱频率接近率减小了8%，振动水平降低了21%。 (3) 综合考虑齿轮箱内、外部动态激励，建立齿轮系统刚柔耦合动力学模型，采用变步长向后差分法计算轴承支反力；以此为边界条件，建立了包含结构网格、声学网格、场点网格的齿轮箱声振耦合分析模型，基于有限元和边界元法求得箱体表面声压和辐射噪声，与试验结果对比两者吻合良好。 (4) 以箱体壁厚为结构参量，场点声压为声学参量，求解箱体特征值灵敏度和声传递向量，构建齿轮箱声-结构灵敏度分析模型，求得箱体振动速度和场点声压对结构参量的灵敏度；以箱体壁厚为设计变量，场点声压为目标函数，建立齿轮箱多点多频声学优化模型，采用正态边界交汇多目标优化算法求得最优箱体结构。 本项目形成的齿轮系统非线性耦合噪声预估与动力优化方法，对提高低噪声、轻量化齿轮系统设计水平，具有重要的理论意义和工程应用价值。