基于声子晶体理论的齿轮机组低噪声新结构设计研究

Phononic crystals are periodic artificial composite materials with different elastic constants and possess extensive potential applications for vibration and noise control engineering due to their unique phononic band gap properties. The project goal is to theoretically design lower-noise gear unit with phononic crystal structures to reduce the noise and vibration based on the mechanisms of vibration and noise of gear unit and phononic crystal theory. In order to explore the potential application of phononic crystals in vibration and noise reduction of gear unit, the main components of gear unit such as the gear，shaft and the box will be designed as phononic crystal structures and the formation mechanisms of band gaps will be investigated by using the finite element method. Afterwards, the effects of the constraints and boundary conditions on the band gaps of phononic crystal structures will be further analyzed, and then the theoretical model between the working condition parameters and band gaps will be established. According to the optimization of the gap structure parameters, the combination of parameters corresponding with the minimum frequency and wide band gap will be obtained. Finally, the experimental platform of gear unit with phononic crystal structures will be built to validate the theoretical results. The research results can provide the theories basis and design criteria to the application of phononic crystals in vibration and noise reduction of gear unit. The study of this project is of significant academic value and engineering application values.

声子晶体是弹性常数及密度周期分布的材料或结构，它特有的带隙特性为振动和噪声控制领域提供了新的技术方法。本项目以齿轮机组为研究对象，以降低齿轮机组振动与噪声为主要目标，依据齿轮机组振动与噪声机理，应用声子晶体理论和研究方法设计含有周期特征的齿轮机组低噪声结构，将声子晶体应用于对噪声具有重要影响的部件齿轮轴、齿轮轮盘和齿轮箱体，探索声子晶体在降低齿轮机组噪声方面的应用价值以及低噪声产生的本质机理；并在此基础上，进一步分析新型结构在工作状态下，转速、约束及负载等参数对禁带特性的影响规律，建立工况参数与禁带特性之间的理论解析模型，并根据解析模型优化结构参数，获得最低频率和最宽频带相对应的结构参数组合；实验制备以上新型结构，建立声子晶体齿轮机组实验测试平台，通过具体实验分析验证理论结果。本项目的研究为声子晶体在齿轮机组新结构设计的应用提供理论依据和设计准则，具有重要的学术意义和工程应用价值。

声子晶体是弹性常数及密度周期分布的材料或结构，它特有的带隙特性为振动和噪声控制领域提供了新的技术方法。本项目以齿轮机组为研究对象，以降低齿轮机组振动与噪声为主要目标，依据齿轮机组振动与噪声机理，应用声子晶体理论和研究方法设计含有周期特征的齿轮机组低噪声结构，将声子晶体应用于对噪声具有重要影响的部件，探索声子晶体在降低齿轮机组噪声方面的应用价值。系统分析齿轮机组的振动噪声机理，运用有限元、多体动力学和边界元相结合的方法，建立齿轮机组动态运转环境下的声场分布，完善啮合-冲击-振动-噪声的系统的理论分析方法，并进行实验验证；针对齿轮机组的噪声频率范围，基于声子晶体的局域共振机制，设计了一维多级轻质局域共振结构轴，并提出适用的混合算法，进行了弹性波的传递特性研究；基于集中质量的思想提出离散化带隙预测模型，解决了多级轻质局域共振结构轴带隙不能预测的问题，并且可以准确地描述包覆层在局域共振结构中弹性和质量双作用的物理意义；基于离散结构的创新设计理念，设计了一维橡胶离散化声子晶体结构轴和一维多级散射体离散化声子晶体轴，阐明了其带隙形成机制的演化，研究了离散化几何参数的调节对带隙的影响，并获得了最低频率和最宽频带的结构设计参数，总结了工况状态下减振频率范围的变化规律；根据齿轮啮合过程的激励特点设计了二组元孔状径向声子晶体轮盘结构和环形镂空径向声子晶体轮盘结构，应用有限元可视化分析了振动波的传递特性，并对环形镂空径向声子晶体轮盘结构进行了实验验证，在保证刚度的基础上设计了三层叠加径向镂空周期结构齿轮轮盘，定量分析了采用新式齿轮轮盘的齿轮机组对其噪声的影响，结果表明，这种新式齿轮机组结构可以很好地减小齿轮机组的振动与噪声。本项目的研究为声子晶体应用于齿轮机组低噪声新结构提供了重要的参考依据。