基于辐板结构优化的航空发动机齿轮传动系统避振设计方法研究

张洋铭; 李波; 刘怀举; 王巧; 李扬

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基于辐板结构优化的航空发动机齿轮传动系统避振设计方法研究

更新时间：2026-04-30

- 基于辐板结构优化的航空发动机齿轮传动系统避振设计方法研究
- Research on vibration avoidance design method of the aero-engine gear transmission system based on web structure optimization
- 机械传动 2026年页码：1-11
- 作者机构：
  
  1.重庆大学高端装备机械传动全国重点试验室，重庆 400044
  2.中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500
- 作者简介：
  
  张洋铭，男，2000年生，重庆永川人，硕士；主要研究方向为航空齿轮传动系统智能设计；202307021046@stu.cqu.edu.cn。
  刘怀举（通信作者），男，1986年生，山东临沂人，教授，博士研究生导师；主要研究方向为航空传动系统高功率密度设计；huaijuliu@cqu.edu.cn。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(52322504);重庆市杰出青年科学基金项目(CSTB2023NSCQ-JQX0016)
- DOI：
  中图分类号： V233.1+4
- 收稿：2024-05-05，
  
  网络首发：2026-04-30，
- 稿件说明：
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张洋铭，李波，刘怀举，等.基于辐板结构优化的航空发动机齿轮传动系统避振设计方法研究［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-11.

ZHANG Yangming，LI Bo，LIU Huaiju，et al.Research on vibration avoidance design method of the aero-engine gear transmission system based on web structure optimization［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-11.
张洋铭，李波，刘怀举，等.基于辐板结构优化的航空发动机齿轮传动系统避振设计方法研究［J］.机械传动，XXXX，XX（XX）：1-11. DOI：

ZHANG Yangming，LI Bo，LIU Huaiju，et al.Research on vibration avoidance design method of the aero-engine gear transmission system based on web structure optimization［J］.Journal of Mechanical Transmission，XXXX，XX（XX）：1-11. DOI：

摘要

目的

针对航空发动机齿轮传动系统在复杂工况下易发行波共振，进而制约高可靠性轻量化设计的问题，开展齿轮辐板结构避振优化研究。

方法

首先，构建基于Kriging插值法与贝叶斯超参数优化的齿轮模态振频代理模型，以替代高成本数值分析，高效预测结构参数对固有频率的影响；其次，以辐厚比、轮缘比为设计变量，建立以系统质量最小化与综合啮合刚度最大化为目标的优化数学模型；然后，将代理模型嵌入非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅲ）框架，并施加包含共振转速裕度在内的多类约束，开展多目标迭代寻优；最后，采用优劣解距离法（TOPSIS）对Pareto前沿解集进行综合评估，筛选最佳结构方案。

结果

结果表明，所构建的代理模型对齿轮前三阶节径固有频率的决定系数

²分别达到96.7%、94.7%和98.8%，预测精度满足工程设计需求。经优化设计后，传动系统中存在行波共振风险的6个齿轮在连续运转及高转速工况下的共振点均被有效规避。相较于初始设计方案，齿轮组总体质量减轻14.4%，且各齿轮接触与弯曲疲劳安全系数仍分别满足大于1.25与1.5的强度标准。

Abstract

Objective

Aiming at the problem that the gear transmission system of aero-engines is prone to traveling wave resonance under complex operating conditions

which further restricts high-reliability lightweight design

a vibration avoidance optimization study was carried out on the gear web structure.

Methods

Firstly

a surrogate model for gear modal frequencies was constructed based on the Kriging interpolation method and Bayesian hyperparameter optimization

which was used to replace high-cost numerical analysis and efficiently predict the influence of structural parameters on natural frequencies. Secondly

taking the web thickness ratio and rim ratio as design variables

a mathematical optimization model was established with the objectives of minimizing system mass and maximizing comprehensive mesh stiffness. Then

the surrogate model was embedded into the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm Ⅲ (NSGA-Ⅲ) framework

and multiple constraints including resonance speed margin were imposed to conduct multi-objective iterative optimization. Finally

the Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) was adopted to comprehensively evaluate the Pareto front solutions and select the optimal structural scheme.

Results

The results show that the coefficients of determination (

²) of the established surrogate model for the first three nodal diameter natural frequencies of gears reach 96.7%

94.7%

and 98.8%

respectively

indicating that the prediction accuracy satisfies engineering design requirements. After optimization

the resonance points of six gears with traveling wave resonance risks under continuous and high-speed operating conditions are all effectively avoided. Compared with the initial design scheme

the total mass of the gear set is reduced by 14.4%

while the contact and bending fatigue safety factors of each gear still meet the strength standards of being greater than 1.25 and 1.5

respectively.

关键词

Keywords

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