STATIC AND DYNAMIC CHARACTERISTIC ANALYSIS AND MULTI-OBJECTIVE TOPOLOGY OPTIMIZATION OF GEARBOX

LIU Wei; ZHU Xiang; GAO Ting; FANG Weidong; LI Hao; CHEN Xuehui; HAO Shuai

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.012

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STATIC AND DYNAMIC CHARACTERISTIC ANALYSIS AND MULTI-OBJECTIVE TOPOLOGY OPTIMIZATION OF GEARBOX

·Optimization·Reliability· | 更新时间：2025-02-28

- STATIC AND DYNAMIC CHARACTERISTIC ANALYSIS AND MULTI-OBJECTIVE TOPOLOGY OPTIMIZATION OF GEARBOX
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 2, Pages: 94-102(2025)
- 作者机构：
  
  1.安徽建筑大学机械与电气工程学院，合肥 230601
  2.高端装备关键摩擦副安徽省重点实验室.合肥 230601
  3.合肥波林新材料股份有限公司，合肥 230601
- 作者简介：
  
  LIU Wei, E-mail: weiliu8202@163.com
- 基金信息：
  
  Anhui Province Outstanding Youth Research Project in Colleges and Universities(2022AH020025);Anhui Province Key Research Project in Natural Sciences of Higher Education(2022AH050257);Hefei Natural Science Foundation Project(202317);Introduction of Talents and Doctoral Startup Fund Project of Anhui Jianzhu University(2019QDZ46);National Development and Investment Group Co., Ltd. Technology Project(SDIC2023-03)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.012
  CLC： U463.212⁺.2
- Received：01 June 2023，
  
  Revised：17 July 2023，
  
  Published：15 February 2025
- 稿件说明：
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刘伟，朱祥，高婷，等. 齿轮箱体静动态特性分析与多目标拓扑优化［J］.机械强度，2025，47（2）：94-102.

LIU Wei，ZHU Xiang，GAO Ting，et al. Static and dynamic characteristic analysis and multi-objective topology optimization of gearbox［J］.Journal of Mechanical Strength，2025，47（2）：94-102.
刘伟，朱祥，高婷，等. 齿轮箱体静动态特性分析与多目标拓扑优化［J］.机械强度，2025，47（2）：94-102. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.012.

LIU Wei，ZHU Xiang，GAO Ting，et al. Static and dynamic characteristic analysis and multi-objective topology optimization of gearbox［J］.Journal of Mechanical Strength，2025，47（2）：94-102. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.02.012.

摘要

针对齿轮箱振动噪声问题，采用多目标拓扑优化，优化箱体结构。首先，提出使用博弈论综合层次分析和灰色关联，即组合赋权法分配子目标最优权重值，同时对比3种赋权法优化结果的迭代曲线，验证组合赋权法的优越性。然后，使用折衷规划法归一化子目标得到综合目标函数。最后，根据拓扑优化结果、应力位移云图和模态振型改进箱体结构，改进后箱体相较于原箱体：箱体质量减轻11.2%，箱体最大应力下降39.6%，位移下降5.1%，节点位移幅值响应下降82.8%，前4阶频率均有所上升。所提权重分配方法改善了子目标权重值分配可信度不高、忽略主观判断等缺点；实现了箱体的轻量化；箱体结构改进后静动态性能大幅提升。

Abstract

To address the issue of gearboxes’ vibration and noise

multi-objective topology optimization was adopted to optimize the box structure.First

a combination weighting method known as game theory comprehensive analytic hierarchy process and grey correlation was proposed to allocate optimal weight values to sub-objectives. At the same time，the iterative curves of the optimization results of the three weighting methods were compared to verify the advantages of the combination weighting method.Then

the compromise programming method was used to normalize the sub objectives to obtain the comprehensive objective function.Finally

based on the topology optimization results

stress displacement nephogram，and modal shapes

the box structure was improved.Compared with the original box，the improved box reduces the mass by 11.2%

the maximum stress of the box decreases by 39.6%

the displacement decreases by 5.1%

the node displacement amplitude response decreases by 82.8%

and the all first four-order frequencies increase.The proposed weight allocation method improves the disadvantages of low reliability of sub objective weight value allocation and ignoring subjective judgment

realizes the lightweight of the box. After the improvement of the box structure

the static and dynamic performances are significantly improved.

关键词

Keywords

references

张喜清，项昌乐，刘辉 . 多工况下变速箱箱体结构的拓扑优化设计［J］. 中国机械工程， 2011 ， 22 （ 15 ）： 1779 - 1783 .

ZHANG Xiqing ， XIANG Changle ， LIU Hui . Topology optimization design of gearbox housing under multiple loading cases ［J］. China Mechanical Engineering ， 2011 ， 22 （ 15 ）： 1779 - 1783 . （In Chinese）

范文杰，范子杰，苏瑞意 . 汽车车架结构多目标拓扑优化方法研究［J］. 中国机械工程， 2008 ， 19 （ 12 ）： 1505 - 1508 .

FAN Wenjie ， FAN Zijie ， SU Ruiyi . Research on multi-objective topology optimization on bus chassis frame ［J］. China Mechanical Engineering ， 2008 ， 19 （ 12 ）： 1505 - 1508 . （In Chinese）

张志飞，陈仁，徐中明，等 . 面向多目标的汽车悬架控制臂拓扑优化研究［J］. 机械工程学报， 2017 ， 53 （ 4 ）： 114 - 121 .

ZHANG Zhifei ， CHEN Ren ， XU Zhongming ， et al . Research on multi-objective topology optimization of vehicle suspension control arm ［J］. Journal of Mechanical Engineering ， 2017 ， 53 （ 4 ）： 114 - 121 . （In Chinese）

袁夏丽，唐华平，谭永青，等 . 重型矿用自卸车车架的模态分析和结构优化［J］. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2014 ， 37 （ 12 ）： 1424 - 1429 .

YUAN Xiali ， TANG Huaping ， TAN Yongqing ， et al . Modal analy-sis and structure optimization of the frame of heavy mining dump truck ［J］. Journal of Hefei University of Technology （Natural Science）， 2014 ， 37 （ 12 ）： 1424 - 1429 . （In Chinese）

WANG C X ， PARKER R G . Modal properties and parametrically excited vibrations of spinning epicyclic/planetary gears with a defo-rmable ring ［J］. Journal of Sound and Vibration ， 2021 ， 494 ： 115828 .

LIANG M X ， HU J H ， LI S Q ， et al . Topology optimization of transmission gearbox under multiple working loads ［J］. Advances in Mechanical Engineering ， 2018 ， 10 （ 11 ）： 168781401881345 .

SON G H ， KIM B S ， CHO S J ， et al . Optimization of the housing shape design for radiated noise reduction of an agricultural electric vehicle gearbox ［J］. Applied Sciences ， 2020 ， 10 （ 23 ）： 8414 .

聂兴信，高赵祥，刘哲伟，等 . 基于组合赋权法-云模型的采矿工作面热湿度风险等级评定［J］. 安全与环境学报， 2022 ， 22 （ 4 ）： 1957 - 1969 .

NIE Xingxin ， GAO Zhaoxiang ， LIU Zhewei ， et al . Study on evaluation of heat and humidity risk level of mining face based on combination weighting method and cloud model ［J］. Journal of Safety and Envir-onment ， 2022 ， 22 （ 4 ）： 1957 - 1969 . （In Chinese）

周松，高翔，范体强，等 . 自卸车翻转轴结构静动态多目标可靠性拓扑优化［J］. 机械强度， 2022 ， 44 （ 2 ）： 341 - 347 .

ZHOU Song ， GAO Xiang ， FAN Tiqiang ， et al . Static and dynamic multi-objective reliability topological optimization for tipping shaft structure of dump truck ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2022 ， 44 （ 2 ）： 341 - 347 . （In Chinese）

王君瑶，徐峰祥，华林 . 仿蜻蜓翅脉的车门内板加强筋多目标优化设计［J］. 锻压技术， 2022 ， 47 （ 2 ）： 30 - 41 .

WANG Junyao ， XU Fengxiang ， HUA Lin . Multi-objective optimization design on stiffeners for automotive door inner panel based on dragonfly wing vein structure ［J］. Forging & Stamping Technology ， 2022 ， 47 （ 2 ）： 30 - 41 . （In Chinese）

汪利洋，胡玉梅，何造 . 采用组合赋权与雷达图法的张紧臂多目标优化［J］. 机械科学与技术， 2021 ， 40 （ 10 ）： 1477 - 1483 .

WANG Liyang ， HU Yumei ， HE Zao . Multi-objective optimization for tensioner arm using improved combination weighting radar chart method ［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering ， 2021 ， 40 （ 10 ）： 1477 - 1483 . （In Chinese）

魏子茹，卢延辉，王鹏宇，等 . 基于CRITIC法的灰色关联理论在无人驾驶车辆测试评价中的应用［J］. 机械工程学报， 2021 ， 57 （ 12 ）： 99 - 108 .

WEI Ziru ， LU Yanhui ， WANG Pengyu ， et al . Application of grey correlation theory based on CRITIC method in autonomous vehicles test and evaluation ［J］. Journal of Mechanical Engin-eering ， 2021 ， 57 （ 12 ）： 99 - 108 . （In Chinese）

胡启国，周松 . 考虑刚柔耦合的工业机器人多目标可靠性拓扑优化［J］. 计算机集成制造系统， 2020 ， 26 （ 3 ）： 623 - 631 .

HU Qiguo ， ZHOU Song . Multi-objective and reliability topology optimization analysis of rigid-flexide coupling industrial robots ［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems ， 2020 ， 26 （ 3 ）： 623 - 631 . （In Chinese）

SIGMUND O . Morphology-based black and white filters for topology optimization ［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization ， 2007 ， 33 （ 4/5 ）： 401 - 424 .

ZHANG H ， DING X H ， DONG X H ， et al ． Optimal topology design of internal stiffeners for machine pedestal structures using biological branching phenomena ［J］． Structural and Multidisciplinary Optimi-zation ， 2018 ， 57 （ 6 ）： 2323 - 2338 ．

方源，章桐，汪浩然，等 . 面向噪声品质优化的减速器箱体结构设计［J］. 中南大学学报（自然科学版）， 2017 ， 48 （ 9 ）： 2331 - 2337 .

FANG Yuan ， ZHANG Tong ， WANG Haoran ， et al . Reducer casing design for sound quality improvement of radiation noise ［J］. Journal of Central South University（Science and Technology）， 2017 ， 48 （ 9 ）： 2331 - 2337 . （In Chinese）

王世栋，苏欣，刘义虎，等 . 齿轮箱振动噪声仿真分析与结构优化［J］. 热能动力工程， 2019 ， 34 （ 1 ）： 92 - 97 .

WANG Shidong ， SU Xin ， LIU Yihu ， et al . Gearbox vibration and noise simulation analysis and structure optimization ［J］. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power ， 2019 ， 34 （ 1 ）： 92 - 97 . （In Chinese）

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