齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法及系统

技术领域

本发明涉及工程机械设计技术领域，特别是涉及一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法及系统。

背景技术

舰船作为一种海上重要的作战力量，不可避免地会受到水下非接触性爆炸冲击，齿轮传动装置作为动力机组重要组成部分，开展针对齿轮传动装置的隔冲设计对于提高舰船生命力具有重要意义。聚氨酯是一种高分子超弹性材料，在工程上常用作隔振减振材料，比传统的橡胶隔振件具有更强的吸收冲击能力；在超弹性聚氨酯材料中采用多孔人工周期结构设计，在孔中插入管状材料进行增强课题提高承载能力，通过应用合理的设计方法，从而得到适用于齿轮传动装置的隔冲装置，有一定的工程价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法及系统，实现人工周期结构隔冲装置的结构尺寸参数、拓扑构型、聚氨酯材料性能参数的相关设计，并基于设计参数完成隔冲装置的加工，在保证隔冲装置强度的基础上提升隔离冲击的效果，支撑装备使用。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，该方法包括以下步骤：

S1，分别进行隔冲结构尺寸参数设计、人工周期结构拓扑构型设计、聚氨酯材料性能参数设计，并选定增强管材料，得到初步设计的人工周期结构隔冲装置；

S2，对初步设计的人工周期结构隔冲装置，进行设计固有频率计算，同时根据冲击脉宽计算得到最小系统隔离固有频率，判断设计固有频率是否高于最小系统隔离固有频率，若判断结果为“否”，则返回S1调整人工周期结构拓扑构型设计和聚氨酯材料性能参数设计，直至判断结果为“是”，则确定为隔冲设计方案，进行步骤S3；

S3，将齿轮传动装置结合隔冲设计方案进行装配建模仿真，计算隔冲结构的隔冲效率，判断隔冲效率是否满足设计要求，若判断结果为“否”，则需返回调整隔冲结构尺寸参数设计以及人工周期结构拓扑构型设计，直至判断结果为“是”，进行步骤S4；

S4，判断增强管是否会发生塑性破坏，若判断结果为“是”，则需返回调整增强管材料，直至判断结果为“否”，完成设计。

进一步地，所述步骤S1中，具体包括：

隔冲结构尺寸参数设计，包括安装面尺寸、结构高度的设计；

设计人工周期结构拓扑构型设计，包括构成人工周期结构的孔隙的层数、每层孔隙率、孔隙尺寸以及孔隙的几何构型的设计；

设计聚氨酯材料性能参数设计，包括选定材料硬度以计算超弹性材料常数，并确定关心频率上、下限以计算得到瑞利阻尼系数；

选定增强管材料，包括金属材料和复合材料中任一材料的选定。

进一步地，所述隔冲结构尺寸参数设计，包括安装面尺寸、结构高度的设计，具体包括：

根据齿轮传动装置安装面确定隔冲结构的水平截面尺寸；

基于结构变形以及隔冲效率，选定隔冲结构高度。

进一步地，所述孔隙的几何构型的设计，包括但不限于：三角形、矩形和圆形；所述每层孔隙率的设计以确保结构刚度应自下而上逐渐变减小为准。

进一步地，所述聚氨酯材料性能参数设计在软件仿真计算中由超弹性材料常数C10、C01和瑞利阻尼系数来表达。

本发明还提供一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计系统，包括：

参数设计模块，用于分别进行隔冲结构尺寸参数设计、人工周期结构拓扑构型设计、聚氨酯材料性能参数设计，并选定增强管材料，得到初步设计的人工周期结构隔冲装置；

设计固有频率判断模块，用于对初步设计的人工周期结构隔冲装置，进行设计固有频率计算，同时根据冲击脉宽计算得到最小系统隔离固有频率，判断设计固有频率是否高于最小系统隔离固有频率，若判断结果为“否”，则调整人工周期结构拓扑构型设计和聚氨酯材料性能参数设计，直至判断结果为“是”，则确定为隔冲设计方案；

隔冲效率判断模块，用于将齿轮传动装置结合隔冲设计方案进行装配建模仿真，计算隔冲结构的隔冲效率，判断隔冲效率是否满足设计要求，若判断结果为“否”，则调整隔冲结构尺寸参数设计以及人工周期结构拓扑构型设计，直至判断结果为“是”；

塑性破坏判断模块，用于判断增强管是否会发生塑性破坏，若判断结果为“是”，则需返回调整增强管材料，直至判断结果为“否”，完成设计。

本发明还提供一种电子装置，包括一个或多个处理器、存储器；

一个或多个应用程序，其中所述一个或多个应用程序被存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序配置用于执行如上述的齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法及系统，通过隔冲结构尺寸参数设计、人工周期结构拓扑构型设计、聚氨酯材料性能参数设计、增强管材料选择、隔冲装置固有频率判断、齿轮传动装置结合隔冲装置装配建模、隔冲效率判断和塑性破坏判断等步骤，实现齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置的优化设计，得到的人工周期结构隔冲装置设计方案参数可用于人工周期结构隔冲装置的加工，在保证隔冲装置强度的基础上实现隔离冲击的效果，大大提升人工周期结构隔冲装置的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法的流程图；

图2为本发明设计的人工周期结构的隔冲装置拓扑结构；

图3为本发明设计的增强管三角形构型尺寸设计图；

图4为本发明的材料硬度和材料常数C01/C10关系曲线，通过选择材料硬度，则可根据该曲线查的材料常数C01/C10的数值；

图5为本发明将隔冲装置与齿轮传动装置进行装配建模的仿真模型，其中将齿轮传动装置进行了简化处理，图中，1表示简化后的齿轮传动装置，2表示隔冲装置。

图6为本发明计算所用的冲击载荷激励曲线，该冲击载荷激励的加速度最大值为为380m/s

图7为基于本发明齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法制造出来的隔冲装置成品。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，根据该方法可完成针对齿轮传动装置的人工周期结构隔冲装置设计，设计后可得到人工周期结构隔冲装置的结构尺寸参数、拓扑构型、聚氨酯材料性能参数、增强管材料，按照上述参数可完成隔冲装置的加工和应用。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法，包括以下步骤：

S1，分别进行隔冲结构尺寸参数设计、人工周期结构拓扑构型设计、聚氨酯材料性能参数设计，并选定增强管材料，得到初步设计的人工周期结构隔冲装置；

S2，对初步设计的人工周期结构隔冲装置，进行设计固有频率计算，同时根据冲击脉宽计算得到最小系统隔离固有频率，判断设计固有频率是否高于最小系统隔离固有频率，若判断结果为“否”，则返回S1调整人工周期结构拓扑构型设计和聚氨酯材料性能参数设计，直至判断结果为“是”，则确定为隔冲设计方案，进行步骤S3；

S3，将齿轮传动装置结合隔冲设计方案进行装配建模仿真，计算隔冲结构的隔冲效率，判断隔冲效率是否满足设计要求，若判断结果为“否”，则需返回调整隔冲结构尺寸参数设计以及人工周期结构拓扑构型设计，直至判断结果为“是”，进行步骤S4；

S4，判断增强管是否会发生塑性破坏，若判断结果为“是”，则需返回调整增强管材料，直至判断结果为“否”，完成设计。

其中，所述步骤S1中，具体包括：

所述的隔冲结构尺寸参数设计中需根据齿轮传动装置安装面确定隔冲结构的水平截面尺寸，然后还需选定隔冲结构高度，高度的选择影响结构变形和隔冲效率，两者相互制约，高度越高，隔冲效率越好，但结构变形越大；结构变形过大会导致系统无法稳定运行，因此需综合考虑选定隔冲结构高度。

所述的人工周期结构拓扑构型设计包括构成人工周期结构孔隙的层数、每层孔隙率、孔隙尺寸以及孔隙的几何构型，其中几何构型主要可选但不限于三角形、矩形和圆形；考虑到冲击传递自下而上，结构刚度应自下而上逐渐变减小；结构刚度可通过调整孔隙率来实现刚度自下而上逐渐变小的目的。

所述的聚氨酯材料性能参数设计需选定材料硬度以计算超弹性材料常数，并通过关心频率上、下限以计算得到瑞利阻尼系数；聚氨酯材料性能参数在软件仿真计算中由超弹性材料常数C10、C01和瑞利阻尼系数来表达。

所述的增强管材料主要包括金属材料和复合材料，增强管材料的选择会影响结构强度，若强度不足，后期计算中存在发生塑性破坏的风险，可重新返回该步骤选择其他增强管材料。

本发明还提供一种齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计系统，包括：

参数设计模块，用于分别进行隔冲结构尺寸参数设计、人工周期结构拓扑构型设计、聚氨酯材料性能参数设计，并选定增强管材料，得到初步设计的人工周期结构隔冲装置；

设计固有频率判断模块，用于对初步设计的人工周期结构隔冲装置，进行设计固有频率计算，同时根据冲击脉宽计算得到最小系统隔离固有频率，判断设计固有频率是否高于最小系统隔离固有频率，若判断结果为“否”，则调整人工周期结构拓扑构型设计和聚氨酯材料性能参数设计，直至判断结果为“是”，则确定为隔冲设计方案；

隔冲效率判断模块，用于将齿轮传动装置结合隔冲设计方案进行装配建模仿真，计算隔冲结构的隔冲效率，判断隔冲效率是否满足设计要求，若判断结果为“否”，则调整隔冲结构尺寸参数设计以及人工周期结构拓扑构型设计，直至判断结果为“是”；

塑性破坏判断模块，用于判断增强管是否会发生塑性破坏，若判断结果为“是”，则需返回调整增强管材料，直至判断结果为“否”，完成设计。

下面结合具体实施例对本发明提供的齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法做更详细地描述：

确定隔冲结构尺寸参数设计：根据工程应用的齿轮传动装置的安装面尺寸(齿轮传动装置质量为192.8kg，其底面长宽尺寸为470mm×250mm)，确定隔冲装置长宽尺寸与齿轮传动装置底面相同，同为470mm×250mm；隔冲装置高度不宜过高，选定为100mm。

确定人工周期结构拓扑构型设计：根据高度，将人工周期结构空隙层数确定为4层，孔隙率由上至下逐渐增加，如图2所示；几何构型选择三角形，三角形孔隙尺寸外接圆直径Φ2为16mm，内圆直径Φ1为12mm，壁厚d为1mm，长度为120mm，如图3所示。

确定聚氨酯材料性能参数设计：聚氨酯材料硬度选择为45A，根据材料硬度可查表得到材料的杨氏模量E为1.8MPa，剪切模量G为0.54MPa，根据材料硬度与材料常数之间的曲线关系，如图4所示，可查得C

瑞利阻尼由结构矩阵系数α和刚度矩阵系数β组成，阻尼比ξ＝γ/2，γ为阻尼损耗因子，一般取γ＝0.5，同时阻尼比和瑞利阻尼中的结构矩阵系数α和刚度矩阵系数β存在公式ξ＝α/(2ω)+βω/2，其中ω可以用关心的频率范围的上、下限代入公式，则可联立求解方程得到结构矩阵系数α和刚度矩阵系数β。至此，聚氨酯材料性能参数设计完成，可用于代入仿真进行计算。

选定增强管材料：本实施例设计选择铝制材料置于人工周期结构空隙中，对隔振系统进行增强，一方面可以有效提高其隔离冲击的效果，另一方面可以防止系统发生较大的变形。

根据冲击理论，冲击作用的持续时间在处理冲击问题的时候非常重要，只有当冲击持续时间小于隔离系统固有周期的1/6时，冲击才会被隔离，反之，当冲击脉冲的持续时间较大时冲击将被放大。根据冲击谱的脉宽和持续时间，计算出最小系统隔离固有频率。

根据上述设计确定了所有所需的隔冲装置设计参数，经计算隔冲装置设计固有频率大于最小系统隔离固有频率，因此可选为隔冲设计方案。

将隔冲装置与齿轮传动装置进行装配建模，如图5所示，其中将齿轮传动装置模型进行了简化处理，包括简化后的齿轮传动装置、隔冲装置以及相邻装置之间的安装转接结构，其中隔冲装置的建模尺寸为长470mm，宽100mm，高100mm。将冲击载荷激励曲线输入模型，如图6所示。经计算得到了该设计方案下齿轮传动装置的加速度响应的最大值A

经计算，齿轮箱加速度响应最大值A

隔冲装置主体采用的结构为聚氨酯材料，内部人工周期增强管为金属管。聚氨酯材料具有较好的延伸性，尤其是低硬度的聚氨酯其不易发生破坏，因此需考察金属管是否会发生塑性破坏。在仿真模型中输入相关金属的塑性参数，经分析金属增强管应力小于屈服极限，不会发生塑性破坏，因此该设计方案可行，设计完成。图7展示了本发明齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法制造出来的隔冲装置成品。

本发明还提供一种电子装置，包括一个或多个处理器、存储器；

一个或多个应用程序，其中所述一个或多个应用程序被存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序配置用于执行如上述的齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述的齿轮传动装置用人工周期结构隔冲装置设计方法。

当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。