一种用于传动系统的变截面多隙联轴器结构改进方法与流程

本发明涉及联轴器结构改进，具体为一种用于传动系统的变截面多隙联轴器结构改进方法。

背景技术：

1、联轴器是机械传动系统中的核心部件，主要用于连接两根轴系以传递扭矩与运动，同时补偿轴线偏移、缓冲减振。变截面多隙联轴器通过弹性体的变截面轮廓设计与分布式间隙结构，兼具刚度可调与阻尼减振的特性，广泛应用于汽车、风电、工业装备等存在扭振问题的传动场景。

2、目前，变截面多隙联轴器的结构设计多以经验设计与参数化迭代为主，通常先确定基础截面形式与间隙排布规则，再通过有限元仿真验证调整，但是间隙的拓扑分布与截面轮廓的演化缺乏系统化的全局优化机制，难以同时兼顾扭转刚度匹配精度、阻尼耗能效率与间隙网络的流通散热效能，常出现刚度过剩或不足、阻尼能力与实际工况不匹配的问题；且现有将拓扑优化方法应用于联轴器设计的方案中，多采用二值化的材料分布模型，初始几何边界过度生硬，优化过程中易出现棋盘格效应，所得构型边界不光滑，后续加工工艺性差，在优化过程中多以静态力学性能为核心目标，较少将扭振动态响应、弹性波能量分布特性纳入优化闭环，无法从振动传播层面主动调控能量分布，难以从根源上缓解局部振动集中与疲劳问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于传动系统的变截面多隙联轴器结构改进方法，包括以下具体步骤：

2、s1、基于变截面多隙联轴器的弹性体的三维计算域进行网格划分，获取有六面体体积单元，将联轴器初始型线离散为有序点列后，对所得六面体体积单元进行初始材料占有密度值赋值，并将所得初始材料占有度进行联轴器的有限元分析，得到生长引导势场；

3、s2、基于联轴器构型施加扭矩载荷，基于联轴器模型引入联轴器材料本构的复刚度矩阵，基于联轴器构型进行实体-空隙划分，将分别获得的扭转刚度供给匹配指数、阻尼耗能需求满足指数、间隙网络流通效能代价比整合为材料分布性能供需向量，计算与理想性能状态向量的切比雪夫距离的最大值，获得全局性能供需偏离度；

4、s3、将联轴器的每个轴向控制截面设置生长探针，并将所有体积单元的材料占有密度场转化为弹性波等效折射率场，并对联轴器内圈连接界面上的所有节点施加宽带扭转角位移激励，将所施加的联轴器进行频域内的动力学模拟，模拟所得弹性波加权时间平均能量密度进行能量局域中心判定，将判定所得能量局域势场与材料分布性能供需向量执行材料协调重分配，根据重分配后的均衡材料占有密度场更新生长引导势场，对生长探针进行迭代生长，生长完成后构建间隙网络图，并得到当前最终材料占有密度分布，生成对应的变截面多间隙联轴器几何模型，更换当前材料并重复所述s1-s3，最终保留若干候选的变截面多间隙联轴器几何模型，将保留的候选的变截面多间隙联轴器几何模型进行仿真求解，确定最优构型。

5、优选的，所述s1基于变截面多隙联轴器的弹性体三维计算域在柱坐标系下沿径向、周向和轴向进行结构化网格划分，获得若干彼此邻接的六面体体积单元，获取联轴器原始设计的初始型线，将初始型线离散为一组有序点列，并将预先设定的间隙开口位置映射为圆周角度区间；

6、并基于每个体积单元提取有序点列中的八个顶点的圆柱坐标，以每个顶点圆柱坐标的径向坐标相对于轴向截面处初始型线径向边界的比例作为空间映射基准，将各顶点圆柱坐标转换至原始设计参数进行空间位置判断并赋值，包括以下具体设置：

7、存在任一体积单元的全部八个顶点经空间映射后均位于初始型线所包围的实体区域内，且周向角度不位于任何间隙开口的圆周角度区间，将对应体积单元的初始材料占有密度赋值为一；

8、存在任一体积单元的全部八个顶点均位于实体区域之外和/或落入间隙开口区间内，将体积单元的初始材料占有密度赋值为零；

9、将所有体积单元完成空间位置判断并赋值后，得到初始材料占有度场。

10、优选的，将初始材料占有度场转换为联轴器的有限元分析模型，并在联轴器内圈安装面施加固定约束，在联轴器外圈连接凸缘施加额定扭矩，通过有限元分析的数值求解，得到总体刚度矩阵，基于稀疏矩阵分解总体刚度矩阵，计算获得所有体积单元的位移向量，基于位移向量并通过空间微分算子计算每个体积单元的六个应变分量，并基于联轴器材料本构矩阵的应力分量，对应力分量与应变分量执行张量缩并运算，得到每个体积单元的第一主应变能密度标量；

11、将所有体积单元的第一主应变能密度的倒数进行极差归一化处理，获得每个体积单元的生成引导势，并将所有体积单元的生长引导势构成的空间分布场作为生长引导势场。

12、优选的，所述s2将当前材料占有度场所对应的联轴器构型施加从零线性增加至额定值的扭矩载荷，执行静态扭矩加载数值模拟得到连续的扭矩-扭角曲线，基于扭矩-扭角曲线中扭矩和扭角均为零的初始点为基点，基于扭角增加的方向以曲线采样分辨率的整数倍作为试探步长增大扭角，对每一试探步长所对应的扭矩增量与扭角增量进行局部线性回归，得到零扭角处的切线刚度，基于传动系统设计目标刚度，计算切线刚度相对于设计目标刚度的倍率，并以自然对数为底的对数函数对所得倍率进行映射，得到扭转刚度供给匹配指数；

13、再基于联轴器材料本构的复刚度矩阵，构建包含惯性项和复刚度矩阵的复特征式，并基于特征值迭代求解获得复特征值和复特征向量，将每个复特征值的实部作为模态的固有频率，虚部与实部之比作为模态的模态损耗因子，并基于额定扭矩的等效静态载荷投影幅值作为各阶模态的模态参与因子，基于模态参与因子为权重对所有模态损耗因子进行加权求和，得到加权模态损耗因子，基于设计要求的全工况等效目标损耗因子与加权模态损耗因子的比值，获得、阻尼耗能需求满足指数；

14、再基于当前联轴器构型的材料占有度场进行实体-空隙划分，具体为：基于最大类间方差法对所有体积单元的材料占有密度值进行划分阈值确定，采用移动立方体算法以实体与间隙的分界等值为等值面，生成由三角面片构成的实体与间隙的界面网格，计算所有三角面片的面积总和得到界面面积总和，遍历所有体积单元累加所有材料占有密度低于实体与间隙的分界等值的体积单元的体积，得到空隙体积，并以界面面积总和与空隙体积的比值作为间隙网络流通效能代价比；

15、将扭转刚度供给匹配指数、阻尼耗能需求满足指数和间隙网络流通效能代价比按顺序构成三维向量，作为材料分布性能供需向量，并设定理想性能状态向量，计算材料分布性能供需向量与理想性能状态向量之间的切比雪夫距离，取切比雪夫距离中的最大值作为全局性能供需偏离度。

16、优选的，所述s3基于初始材料占有度场、生长引导势场在联轴器的每个轴向控制截面上，沿周向按照均布的预定角度间隔选取种子点，再将每个种子点处初始化由首尾相连的离散节点序列构成的曲线结构的生长探针，并将生长探针初始空间位置设定控制截面上材料占有密度值最高的体积单元的中心，并将生长引导势场所在的空间梯度矢量方向作为生长探针的初始延伸方向；

17、并基于纯实体材料的基准高折射率值以及材料完全空隙的基准低折射率值，将当前所有体积单元的材料占有密度场转化为弹性波等效折射率场。

18、优选的，所述s3基于弹性波等效折射率场对联轴器模型的内圈连接界面上的所有节点，施加覆盖传动系统扭振特征频率范围的宽带扭转角位移激励，并通过离散采样后得到宽带扭转角位移激励中，每个离散频率点上的归一化激励权重系数；

19、并将每一个离散频率点通过对应频率下由弹性波等效折射率场换算得到的等效材料模量，将各体积单元的等效材料模量代入单元刚度矩阵的数值积分过程，得到总体动力学刚度矩阵，并通过复数域稀疏矩阵求解所有体积单元的复位移响应向量，并基于归一化激励权重系数计算每个体积单元的弹性波加权时间平均能量密度。

20、优选的，所述s3计算所有体积单元的弹性波加权时间平均能量密度的全场算术平均值和全场标准差，弹性波加权时间平均能量密度值高于全场算术平均值加上全场标准差的体积单元标记为高能量局域单元，并对高能量局域单元进行空间连通性分析，将联轴器中所有面、边和/或顶点处相邻的高能量局域单合并成连通簇，计算每个连通簇的等效直径；

21、存在任一连通簇的等效直径小于在激励频率上限处弹性波在实体材料中波长时，判定为能量局域中心，将所有判定出的能量局域中心组成全局能量局域中心集合；

22、将属于任一能量局域中心的体积单元，以弹性波加权时间平均能量密度与全场最大弹性波加权时间平均能量密度的比值的归一化值作为能量局域势，将不属于任一能量局域中心且与任一能量局域中心相邻的体积单元，以距其最近的能量局域中心的势值作为能量局域势，将不相邻任一能量局域中心的体积单元的能量局域势取为负值；

23、将所有体积单元的能量局域势构成的空间分布场作为能量局域势场。

24、优选的，所述s3将所有体积单元的初始材料占有密度值作为初始材料持有量，并基于所对应的局部的能量局域势数值和当前材料持有量生成材料密度调整意向，并设定当前所有体积单元材料持有量的算术平均值为全局材料密度平均当量，并对每个生成材料密度调整意向的体积单元生成释放请求，对每个生成申请意向的体积单元生成申请请求，将同一轴向控制截面内和/或轴向相邻两层控制截面间的所有释放请求与申请请求汇聚进行协调分配；

25、根据所有释放请求与申请请求执行全局材料持有量更新，并将当前所有体积单元的材料持有量作为重分配后的均衡材料占有密度场。

26、优选的，所述s3基于重分配后的均衡材料占有密度场输入至所述s1执行有限元分析的数值求解，获得各体积单元的第二主应变能密度，得到更新后生长引导势场；

27、并基于当前均衡材料占有密度场中所有体积单元的材料占有密度值进行统计，确定高密度阈值和低密度阈值后，基于更新后的生长引导势场对每个生长探针的当前生长前沿节点，计算两个方向矢量并合成最终生长方向，将生长探针沿合成方向向前延伸一个预设空间步长，并基于生长探针的迭代过程，基于确定的高密度阈值和低密度阈值对生长探针路径所穿越的体积单元，进行材料归属标记；

28、将生长完成后所有被标记为空隙的体积单元组成间隙网络图，并基于全局能量局域中心集合中的每一个能量局域中心作为必须连通的强制节点，基于图论的最大团搜索算法寻找包含所有强制节点的最大完全连通子图，并判定孤立能量局域中心，基于更新后的生长引导势场与能量局域势场，规划获得连接孤立能量局域中心与最大完全连通子图的最短空间路径，形成微细连接通道；

29、基于当前的最终材料占有密度分布，根据s2的操作重新计算当前材料占有度场的实体与间隙的分界等值，提取材料占有密度等于分界等值的等值面作为实体与间隙的精确界面，生成三维几何模型，作为对应的变截面多间隙联轴器几何模型。

30、优选的，所述s3更换当前材料后，将所得的若干个变截面多间隙联轴器几何模型重复所述s2操作，选取全局性能供需偏离度最小的联轴器构型作为最优构型，并将最优构型仿真求解后，提取包括扭矩-扭角关系曲线、输出端扭转角加速度的时域信号以及时间历程中每个体积单元的最大等效应力值，并与初始联轴器构型比对，获得改进结果。

31、有益效果

32、本发明提供了一种用于传动系统的变截面多隙联轴器结构改进方法，具备以下有益效果：在各轴向控制截面布设生长探针，以生长引导势场与能量局域势场联合指引探针延伸方向，替代了传统经验式的间隙排布设计，根据沿途材料密度特征差异化成形，在高材料密度区固化为实体加强筋，强化传力路径等，将加强结构、间隙网络与变截面轮廓的一体化协同成形，有效避免边界突变引发的应力集中；

33、通过等效折射率场将材料占有密度映射为弹性波传播参数，结合宽带扭转激励的频域仿真精准识别能量局域中心并构建能量局域势场，将扭振能量的空间分布特征转化为结构演化的直接驱动量，并以能量局域势触发单元的材料释放与申请需求，在轴向截面内与相邻截面间统筹调配材料份额，在全局材料用量可控的前提下实现材料分布的动态均衡。