一種基于精準約束條件的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方法及cad優(yōu)化設計系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于精準約束條件的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方法及CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，屬于優(yōu)化設計方法及CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)領域。本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有齒輪優(yōu)化方法中將各關(guān)鍵系數(shù)作為常量處理的弊端，從而有效地提高優(yōu)化結(jié)果的準確性。一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方法，包括如下步驟：原始參數(shù)輸入、計算配置保存、關(guān)鍵系數(shù)計算、重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件、重新構(gòu)造齒根彎曲強度約束條件、優(yōu)化迭代；一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，包括如下模塊：原始參數(shù)輸入模塊、計算配置保存模塊、關(guān)鍵系數(shù)計算模塊、齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊、齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊、優(yōu)化迭代模塊。
【專利說明】一種基于精準約束條件的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方法及CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種優(yōu)化設計方法及一種CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)領域；尤其是一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方法及CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]作為各種傳動系統(tǒng)的核心部件，圓柱齒輪傳動在工程機械領域中的用途十分廣泛。圓柱齒輪傳動在設計過程中，為保證必要的強度和足夠高的安全系數(shù)，通常會造成齒數(shù)、模數(shù)、齒寬等參數(shù)的冗余，這使得按照傳統(tǒng)方法設計出來的齒輪，體積和重量都比較大。因此，有必要對齒輪進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。但齒輪優(yōu)化問題涉及到齒輪的強度約束條件的計算，在精確計算齒輪強度所需要的各關(guān)鍵系數(shù)時，需要根據(jù)國標查取大量的圖表、曲線，導致計算的工作量非常大，因此現(xiàn)有方法在進行齒輪優(yōu)化問題時，均將強度約束條件中的關(guān)鍵系數(shù)作為常量處理，或進行一定程度的簡化和近似，導致了優(yōu)化結(jié)果不徹底和不準確。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的就是根據(jù)現(xiàn)有圓柱齒輪轉(zhuǎn)動優(yōu)化設計不徹底和不準確的不足，提出了一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方法及CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，可根據(jù)給定的工況條件以及不同的初始設計參數(shù)，在每次優(yōu)化迭代的過程中，實時、精確地計算齒輪齒面接觸強度和齒根彎曲強度中的各關(guān)鍵系數(shù)，并重新精確構(gòu)造約束條件，以便進行下一次迭代。從而在優(yōu)化迭代完成后，得到優(yōu)化更加徹底的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計參數(shù)。
[0004]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方法，包括:
[0006]步驟1:原始參數(shù)輸入，根據(jù)工況要求，輸入圓柱齒輪副的齒形參數(shù)、工況參數(shù)及材料參數(shù)，其中齒形參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、壓力角、螺旋角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)；工況參數(shù)包括輸入轉(zhuǎn)矩、輸入功率、使用系數(shù)等；材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比、密度、接觸疲勞極限、彎曲疲勞極限；
[0007]步驟2:計算配置保存步驟，對步驟I中輸入的參數(shù)，按照齒形參數(shù)、工況參數(shù)、材料參數(shù)的類別分別保存至參數(shù)文件，以供后續(xù)步驟調(diào)用；
[0008]步驟3:關(guān)鍵系數(shù)計算，讀取步驟2中的參數(shù)文件，計算并更新齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件中所需要的關(guān)鍵系數(shù)，這些系數(shù)包括修正載荷系數(shù)、修正計算應力系數(shù)、修正許用應力系數(shù)；
[0009]步驟4:重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件，使用步驟3中計算的關(guān)鍵系數(shù)，生成齒面接觸強度配置文件，重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件；生成齒根彎曲強度配置文件，重新構(gòu)造齒根彎曲強度約束條件；
[0010]步驟5:優(yōu)化迭代循環(huán)，生成新的優(yōu)化結(jié)果。如果達到收斂條件，則迭代終止，生成最終的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方案；如果沒有達到收斂條件，則重復執(zhí)行上述步驟中的步驟3、步驟4及優(yōu)化迭代步驟，直到達到收斂條件，迭代終止。
[0011]一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，基于Visual C++2005和MATLAB開發(fā)，包括原始參數(shù)輸入模塊、計算配置保存模塊、關(guān)鍵系數(shù)計算模塊、齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊、齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊、優(yōu)化迭代模塊，所述原始參數(shù)輸入模塊的輸出作為計算配置保存模塊的輸入，所述計算配置保存模塊的輸出作為關(guān)鍵系數(shù)計算模塊的輸入，所述關(guān)鍵系數(shù)計算模塊的輸出作為齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊與齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊的輸入，齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊與齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊的輸出作為優(yōu)化迭代模塊的輸入。
[0012]優(yōu)選地，所述原始參數(shù)輸入模塊，用于設計人員根據(jù)工況要求，輸入圓柱齒輪副的齒形參數(shù)、工況參數(shù)及材料參數(shù)，其中齒形參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、壓力角、螺旋角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)；工況參數(shù)包括輸入轉(zhuǎn)矩、輸入功率、使用系數(shù)；材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比、密度、接觸疲勞極限、彎曲疲勞極限。
[0013]優(yōu)選地，所述計算配置保存模塊，對參數(shù)輸入模塊中的各類參數(shù)進行保存，以供后續(xù)步驟調(diào)用。
[0014]優(yōu)選地，所述關(guān)鍵系數(shù)計算模塊，用于調(diào)用計算配置保存模塊中保存的參數(shù)文件，計算并更新涉及齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件中的修正載荷系數(shù)、修正計算應力系數(shù)、修正許用應力系數(shù)。
[0015]優(yōu)選地，所述齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊，用于調(diào)用關(guān)鍵系數(shù)計算模塊中計算的關(guān)鍵系數(shù)，生成齒面接觸強度配置文件，重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件。
[0016]優(yōu)選地，所述齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊，用于調(diào)用關(guān)鍵系數(shù)計算模塊中計算的關(guān)鍵系數(shù)，生成齒根彎曲強度配置文件，重新構(gòu)造齒根彎曲強度約束條件。
[0017]優(yōu)選地，所述優(yōu)化迭代模塊，用于判斷每次的迭代計算過程是否符合要求。如果不符合要求，則重新計算各關(guān)鍵系數(shù)，并重構(gòu)齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件，進行迭代優(yōu)化；如果滿足要求，則形成最終的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計結(jié)果。
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明可以根據(jù)給定工況和設計要求下不同的初始設計參數(shù)，以最小總體積或最小中心距為優(yōu)化目標，在優(yōu)化迭代過程中實時更新涉及齒面接觸強度和齒根彎曲強度約束條件中的各關(guān)鍵系數(shù)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中將各關(guān)鍵系數(shù)一直視為常量處理的缺點，因而可以對圓柱齒輪傳動進行更徹底的優(yōu)化設計，所得到的優(yōu)化結(jié)果比現(xiàn)有的優(yōu)化方法得到的優(yōu)化結(jié)果更加準確，更加徹底，設計效率也大大提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0020]其中，I為原始參數(shù)輸入模塊，2為計算配置保存模塊，3為關(guān)鍵系數(shù)計算模塊，4為齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊，5為齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊，6為優(yōu)化迭代模塊。

【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步說明:
[0022]一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方法，包括:
[0023]步驟1:原始參數(shù)輸入，根據(jù)工況要求，輸入圓柱齒輪副的齒形參數(shù)、工況參數(shù)及材料參數(shù)，其中齒形參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、壓力角、螺旋角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)；工況參數(shù)包括輸入轉(zhuǎn)矩、輸入功率、使用系數(shù)等；材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比、密度、接觸疲勞極限、彎曲疲勞極限；
[0024]步驟2:計算配置保存步驟，對步驟I中輸入的參數(shù)，按照齒形參數(shù)、工況參數(shù)、材料參數(shù)的類別分別保存至參數(shù)文件，以供后續(xù)步驟調(diào)用；
[0025]步驟3:關(guān)鍵系數(shù)計算，讀取步驟2中的參數(shù)文件，計算并更新齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件中所需要的關(guān)鍵系數(shù)，這些系數(shù)包括修正載荷系數(shù)、修正計算應力系數(shù)、修正許用應力系數(shù)；
[0026]步驟4:重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件，使用步驟3中計算的關(guān)鍵系數(shù)，生成齒面接觸強度配置文件，重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件；生成齒根彎曲強度配置文件，重新構(gòu)造齒根彎曲強度約束條件；
[0027]步驟5:優(yōu)化迭代循環(huán)，生成新的優(yōu)化結(jié)果。如果達到收斂條件，則迭代終止，生成最終的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方案；如果沒有達到收斂條件，則重復執(zhí)行上述步驟中的步驟3、步驟4及優(yōu)化迭代步驟，直到達到收斂條件，迭代終止。
[0028]如圖1所示，一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，基于Visual C++2005和MATLAB開發(fā)，包括原始參數(shù)輸入模塊1、計算配置保存模塊2、關(guān)鍵系數(shù)計算模塊3、齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊4、齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊5、優(yōu)化迭代模塊6，所述原始參數(shù)輸入模塊I的輸出作為計算配置保存模塊2的輸入，所述計算配置保存模塊2的輸出作為關(guān)鍵系數(shù)計算模塊3的輸入，所述關(guān)鍵系數(shù)計算模塊3的輸出作為齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊4與齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊5的輸入，齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊4與齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊5的輸出作為優(yōu)化迭代模塊6的輸入。
[0029]所述原始參數(shù)輸入模塊1，用于設計人員根據(jù)工況要求，輸入圓柱齒輪副的齒形參數(shù)、工況參數(shù)及材料參數(shù)，其中齒形參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、壓力角、螺旋角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)；工況參數(shù)包括輸入轉(zhuǎn)矩、輸入功率、使用系數(shù)；材料參數(shù)包括彈性模量、泊松t匕、密度、接觸疲勞極限、彎曲疲勞極限。
[0030]所述計算配置保存模塊2，對參數(shù)輸入模塊中的各類參數(shù)進行保存，以供后續(xù)步驟調(diào)用。
[0031]所述關(guān)鍵系數(shù)計算模塊3，用于調(diào)用計算配置保存模塊2中保存的參數(shù)文件，計算并更新涉及齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件中的修正載荷系數(shù)、修正計算應力系數(shù)、修正許用應力系數(shù)。
[0032]所述齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊4，用于調(diào)用關(guān)鍵系數(shù)計算模塊3中計算的關(guān)鍵系數(shù)，生成齒面接觸強度配置文件，重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件。
[0033]所述齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊5，用于調(diào)用關(guān)鍵系數(shù)計算模塊3中計算的關(guān)鍵系數(shù)，生成齒根彎曲強度配置文件，重新構(gòu)造齒根彎曲強度約束條件。
[0034]所述優(yōu)化迭代模塊，用于判斷每次的迭代計算過程是否符合要求。如果不符合要求，則重新計算各關(guān)鍵系數(shù)，并重構(gòu)齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件，進行迭代優(yōu)化；如果滿足要求，則形成最終的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計結(jié)果。實現(xiàn)優(yōu)化迭代過程中，齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件各關(guān)鍵系數(shù)的自動實時更新，并精確構(gòu)造約束條件進行下一次迭代優(yōu)化。
[0035]當然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本【技術(shù)領域】的技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方法，其特征在于，包括: 步驟1:原始參數(shù)輸入，根據(jù)工況要求，輸入圓柱齒輪副的齒形參數(shù)、工況參數(shù)及材料參數(shù)，其中齒形參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、壓力角、螺旋角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)；工況參數(shù)包括輸入轉(zhuǎn)矩、輸入功率、使用系數(shù)等；材料參數(shù)包括彈性模量、泊松比、密度、接觸疲勞極限、彎曲疲勞極限； 步驟2:計算配置保存步驟，對步驟I中輸入的參數(shù)，按照齒形參數(shù)、工況參數(shù)、材料參數(shù)的類別分別保存至參數(shù)文件，以供后續(xù)步驟調(diào)用； 步驟3:關(guān)鍵系數(shù)計算，讀取步驟2中的參數(shù)文件，計算并更新齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件中所需要的關(guān)鍵系數(shù)，這些系數(shù)包括修正載荷系數(shù)、修正計算應力系數(shù)、修正許用應力系數(shù)； 步驟4:重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件，使用步驟3中計算的關(guān)鍵系數(shù)，生成齒面接觸強度配置文件，重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件；生成齒根彎曲強度配置文件，重新構(gòu)造齒根彎曲強度約束條件； 步驟5:優(yōu)化迭代循環(huán)，生成新的優(yōu)化結(jié)果。如果達到收斂條件，則迭代終止，生成最終的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計方案；如果沒有達到收斂條件，則重復執(zhí)行上述步驟中的步驟3、步驟4及優(yōu)化迭代步驟，直到達到收斂條件，迭代終止。
2.一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，其特征在于，包括原始參數(shù)輸入模塊、計算配置保存模塊、關(guān)鍵系數(shù)計算模塊、齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊、齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊、優(yōu)化迭代模塊，所述原始參數(shù)輸入模塊的輸出作為計算配置保存模塊的輸入，所述計算配置保存模塊的輸出作為關(guān)鍵系數(shù)計算模塊的輸入，所述關(guān)鍵系數(shù)計算模塊的輸出作為齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊與齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊的輸入，齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊與齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊的輸出作為優(yōu)化迭代模塊的輸入。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，其特征在于，所述原始參數(shù)輸入模塊，用于設計人員根據(jù)工況要求，輸入圓柱齒輪副的齒形參數(shù)、工況參數(shù)及材料參數(shù)，其中齒形參數(shù)包括齒數(shù)、模數(shù)、齒寬、壓力角、螺旋角、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)；工況參數(shù)包括輸入轉(zhuǎn)矩、輸入功率、使用系數(shù)；材料參數(shù)包括彈性模量、泊松t匕、密度、接觸疲勞極限、彎曲疲勞極限。
4.如權(quán)利要求2所述的一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，其特征在于，所述計算配置保存模塊，對參數(shù)輸入模塊中的各類參數(shù)進行保存，以供后續(xù)步驟調(diào)用。
5.如權(quán)利要求2所述的一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，其特征在于，所述關(guān)鍵系數(shù)計算模塊，用于調(diào)用計算配置保存模塊中保存的參數(shù)文件，計算并更新涉及齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件中的修正載荷系數(shù)、修正計算應力系數(shù)、修正許用應力系數(shù)。
6.如權(quán)利要求2所述的一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，其特征在于，所述齒面接觸強度約束條件重構(gòu)模塊，用于調(diào)用關(guān)鍵系數(shù)計算模塊中計算的關(guān)鍵系數(shù)，生成齒面接觸強度配置文件，重新構(gòu)造齒面接觸強度約束條件。
7.如權(quán)利要求2所述的一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，其特征在于，所述齒根彎曲強度約束條件重構(gòu)模塊，用于調(diào)用關(guān)鍵系數(shù)計算模塊中計算的關(guān)鍵系數(shù)，生成齒根彎曲強度配置文件，重新構(gòu)造齒根彎曲強度約束條件。
8.如權(quán)利要求2所述的一種基于精確約束條件的圓柱齒輪傳動CAD優(yōu)化設計系統(tǒng)，其特征在于，所述優(yōu)化迭代模塊，用于判斷每次的迭代計算過程是否符合要求。如果不符合要求，則重新計算各關(guān)鍵系數(shù)，并重構(gòu)齒面接觸強度約束條件和齒根彎曲強度約束條件，進行迭代優(yōu)化；如果滿足要求，則形成最終的圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計結(jié)果。
【文檔編號】G06F17/50GK104408239SQ201410632924
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】江守波, 曾慶良, 李學藝, 江守雷, 蘇超, 逯振國, 崔晶 申請人:山東科技大學