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課題組齒輪傳動熱流耦合研究論文被《Chin J Mech Eng》錄用

發布時間:2025-06-16 | 來源: | 作者:
    課題組齒輪傳動熱流耦合研究論文被《Chin J Mech Eng》錄用

       2025年6月,高端裝備機械傳動全國重點實驗室的林勤杰、盧澤華等合作完成的“Numerical analysis of fluid and temperature field of an accessory gearbox”研究論文被《Chinese Journal of Mechanical Engineering》錄用。

       隨著高端航空裝備的傳遞功率、功重比等性能指標不斷提高,以航發附件機匣為代表的齒輪傳動系統的服役溫度、轉速持續提升,高溫、高速、重載服役環境下的熱-流-固多場耦合特性、潤滑冷卻性能、傳動效率成為傳動系統長壽命、高功率密度設計的必要考慮因素。而目前的熱-流-固多場研究大多針對單對齒輪副的流場研究,傳動系統中的齒輪、轉軸、軸承、殼體等各部對滑油流動狀態以及各部件間的熱量傳遞難以被有效考慮,亟需尋求系統級的熱-流-固多場耦合分析方法來進一步完善傳動系統的降溫、增效設計。

       針對齒輪傳動設計過程中功率損失和熱-流耦合的計算需求,本文開發了航發附件機匣齒輪傳動功率損失的數學模型,預測了附件機匣的總功率損失及各元件的生熱量。基于移動粒子法(MPS)和三維有限元-熱網絡法分別建立了附件機匣流場與溫度場分析模型,得到噴油潤滑條件下附件機匣內部的流場與溫度場分布。

       結果表明,當系統轉速較低時,齒輪嚙合摩擦功率損失占系統總功率損失的69%。隨著轉速的增加,齒輪風阻功率損失和軸承摩擦功率損失快速上升,分別占系統總功率損失的42%和33%,且主要集中在錐齒輪BGⅠ、BGⅡ和輸入軸軸承BⅠ和BⅡ。高速下錐齒輪和輸入軸軸承的溫度分別可達165℃和170℃,高于系統中的其他部件。研究方法可推廣應用至風電、新能源汽車、直升機、工程機械等裝備齒輪傳動系統研發。


       該研究受到國家自然科學基金(52322504、U2141247)的資助。課題組初步形成“數據建設-傳動構型-智能設計-多場分析-軟件開發”的齒輪傳動高功率密度正向研發體系,應用于航空、航天、汽車、風電等高端齒輪裝備研發。近期課題組相關文獻如下:

[1] 劉懷舉, 朱才朝, 魏沛堂, 盧澤華. 齒輪接觸疲勞理論與實踐. 科學出版社, ISBN: 9787030750068, 頁數: 624, 字數: 798000.

[2] 劉懷舉, 吳吉展, 盧澤華, 張博宇, 張秀華. 齒輪噴丸強化機理與應用. 科學出版社, ISBN: 978-7-03-080638-3, 字數: 409000.

[3] 張恪誠, 朱加贊, 劉懷舉, 盧澤華, 王憲良. “機械-慣性-熱”載荷作用下航空薄輻板齒輪傳動系統結構避振方法研究. 航空動力學報, 2025.

[4] 黃昊, 夏靜貴, 吳俊佑, 盧澤華, 劉懷舉. 機械-慣性載荷作用下航發齒輪傳動殼體拓撲優化研究. 重慶大學學報, 2025.

[5] 胡明珠, 劉懷舉, 張秀華, 朱才朝. 空間機械臂關節雙電機-行星齒輪傳動系統的多目標優化. 宇航學報, 2024, 45 (12): 2009-2023.

[6] 陳炳瑞, 劉懷舉, 林勤杰, 張秀華. 空間機械臂關節傳動系統溫度與熱變形分析. 宇航學報, 2025, 46 (2): 320-333.

[7] 陳炳瑞, 朱才朝, 林勤杰, 陳泰民, 劉懷舉. FZG齒輪箱熱流耦合分析與驗證方法研究. 摩擦學學報, 2025, 45(6): 1-15.

[8] 陳進筱, 魏沛堂, 李炎軍, 劉懷舉, 朱才朝. 航空齒輪膠合承載能力試驗與“材料-工藝-滑油”抗膠合設計方法. 航空學報, 2025, 46 (12): 430777.

[9] 劉桂源, 陳易明, 王中榮, 李波, 盧澤華, 劉懷舉. 基于圖論與NSGA Ⅲ-TOPSIS的航空發動機齒輪傳動構型設計方法研究. 航空動力學報, 2025.

[10] 文武翊, 林勤杰, 王中榮, 朱才朝, 劉懷舉. 高速航空錐齒輪線速度對噴油潤滑流場與溫度場影響研究. 摩擦學學報, 2025, 45(4): 1−12.

[11] 王慶志, 陳易明, 吳吉展, 張秀華, 劉懷舉. 高性能滲碳齒輪表面完整性特征的試驗研究. 表面技術, 2025, 54 (5): 233-244.

[12] 劉懷舉, 盧澤華, 朱才朝. 塑料齒輪傳動高承載技術發展與應用. 中國機械工程. 2025, 36 (1): 2-17.

[13] 王慶志, 張秀華, 吳吉展, 李揚, 魏沛堂, 劉懷舉. 基于CatBoost算法的滲碳齒輪接觸疲勞極限預測方法研究. 力學學報, 2024, 56(12): 3202-3214.

[14] 路凱屹, 劉懷舉, 廖常軍, 盧澤華, 魏沛堂. 基于啟發式算法的附件傳動系統輕量化設計. 航空動力學報, 2024, 40: 20220911.

[15] 賈晨帆, 盧澤華, 吳吉展, 李揚, 朱才朝, 劉懷舉. 高性能齒輪基礎數據研究. 中國科學: 科學技術, 2024, 54 (6): 1149-1170.

[16] 吳吉展, 魏沛堂, 吳少杰, 劉懷舉, 朱才朝. 航空齒輪鋼滾動接觸疲勞性能預測與表面完整性優化. 機械工程學報, 2024, 60 (8): 81-93.

[17] 陳玉靈, 朱加贊, 陳泰民, 朱才朝, 魏沛堂, 徐永強. 航空高速齒輪服役溫度預測模型研究. 機械傳動, 2024, 48(2): 1-9.

[18] 劉桂源, 張磊, 魏沛堂, 劉根伸, 胡明珠, 何志強, 劉懷舉. 同向平雙齒輪傳動系統設計分析軟件開發. 機械傳動, 2024, 48(1): 52-60.

[19] 吳吉展, 魏沛堂, 劉懷舉, 吳少杰, 朱才朝. 航空齒輪鋼表面完整性與滾動接觸疲勞性能關聯規律研究. 機械工程學報, 2024, 60 (4): 284-295.

[20] 劉懷舉, 陳地發, 朱才朝, 吳吉展, 魏沛堂. 齒輪彎曲疲勞的研究進展與發展趨勢. 機械工程學報, 2024, 60 (3): 83-108.

[21] 劉懷舉, 張洪春, 魏沛堂, 賈晨帆, 李揚. 高性能齒輪傳動數據庫軟件設計與開發. 計算機集成制造系統, 2023, 29(8): 2513-2523.

[22] 李嘉瑋, 趙新浩, 李炎軍, 吳吉展, 魏沛堂, 劉懷舉. 服役工況及噴丸強化對航空齒輪鋼接觸疲勞性能的影響. 表面技術, 2023, 52(2): 14-24.

[23] 何海風, 劉懷舉, 朱才朝, 李高萌, 陳地發. 殘余應力對齒輪彎曲疲勞的量化影響研究. 機械工程學報, 2023, 59 (4): 53-61.

[24] 李揚, 劉懷舉, 魏沛堂, 毛天雨, 陳地發. 基于Monte-Carlo模擬的小樣本下齒輪疲勞極限計算方法及軟件開發. 中國機械工程, 2023, 34(2): 185-192.

[25] 劉懷舉, 張博宇, 朱才朝, 魏沛堂. 齒輪接觸疲勞理論研究進展. 機械工程學報, 2022, 58(3): 95-120.

[26] 劉根伸, 劉懷舉, 朱才朝, 毛天雨, 高云松. 飛行汽車變速器齒輪傳動可靠性優化設計, 重慶大學學報, 2022, 45(04): 1-11.

[27] Hao Huang, Zeng Wang, Ziyi Yang, Huaiju Liu, Zehua Lu. Multi-objective topology optimization of aero-engine accessory gearbox case based on compromise programming method. Sci China Technol Sc, 2025, 68(7): 1720601.

[28] Difa Chen, Liangliang Gong, Jizhan Wu, Guolei Qin, Huaiju Liu. A study on the key influencing factors of gear fatigue strength testing based on the Locati method. Measurement, 2025, 255: 117869.

[29] Huaiju Liu, Xiuhua Zhang, Michael Geitner, Thomas Tobie, Karsten Stahl, Caichao Zhu. Gear contact fatigue: Models and tests. Friction, 2025, 13: 9441078.

[30] Zehua Lu, Huaiju Liu, Peitang Wei, Damijan Zorko. A strategy for contact fatigue life prediction of polymer gears via an experimental-simulated hybrid data-driven model. Friction, 2025, 13: 9441077.

[31] Xiuhua Zhang, Huaiju Liu, Mingzhu Hu, Yangming Zhang, Caichao Zhu. A multi-objective optimization study on the electromechanical system for a spacchanism based on a Catboost surrogate model and NSGA-III algorithm. Expert Systems With Applications, 2025, 268: 126312.

[32] Mingzhu Hu, Jiazan Zhu, Liangliang Gong, Zehua Lu, Huaiju Liu. Multi-objective optimization of an aero-engine accessory gearbox transmission based on heuristic algorithm. Journal of Aerospace Engineering, 2025, 38(2): 04024126.

[33] Zehua Lu, Stefan Ritschuster, Thomas Tobie, Karsten Stahl, Huaiju Liu, Xinlei Hu. Contact fatigue life prediction of PEEK gears based on CTAB-GAN data augmentation. Engineering Fracture Mechanics, 2024, 312: 110639.

[34] Boyu Zhang, Huaiju Liu, Yongyong He, Mario Guagliano. The effect of fine particle peening on aviation gear performance, part I: surface integrity. Fatigue Fract Eng Mater Struct, 2024, 47(8): 3000-3014.

[35] Boyu Zhang, Huaiju Liu, Yongyong He, Mario Guagliano. The effect of fine particle peening on aviation gear performance, part II: rolling contact fatigue. Fatigue Fract Eng Mater Struct, 2024, 47(8): 2988-2999.

[36] Taimin Chen, Caichao Zhu, Huaiju Liu, Kai Ma, Wei Zhang. The PVT limit for gear scuffing assessment. Wear, 2024, 558-559, 205557.

[37] Taimin Chen, Caichao Zhu, Jinxiao Chen, Huaiju Liu. A review on gear scuffing studies: theories, experiments and design. Tribol Int, 2024, 196: 109741.

[38] Zehua Lu, Yiming Chen, Huaiju Liu, Caichao Zhu, Ruo Wu. A high-power-density design method for polymer gear systems via an adaptive NSGA-III algorithm and surrogate sub-models. Mater Design, 2024, 240: 112875.

[39] Jizhan Wu, Peitang Wei, Caichao Zhu, Peng Zhang, Huaiju Liu. Development and application of high strength gears. Int J Adv Manuf Technol, 2024, 132: 3123–3148.

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[42] Jinxiao Chen, Caichao Zhu, Peitang Wei, Ping Zeng, Biyao Wang, Taimin Chen, Huaiju Liu. Experimental study on high-speed aviation gear scuffing based on tooth profile and surface treatment improvements. Tribol T, 2024, 67: 280-293.

[43] Huaiju Liu, Yang Li, Zehua Lu, Zhongrong Wang, Zeng Wang, Xiaobao Zeng. A unified estimation method for gear fatigue P-S-N curves and fatigue limits based on ensemble learning and data augmentation. Eng Fract Mech, 2024, 298: 109941.

[44] Zehua Lu, Chang Liu, Changjun Liao, Jiazan Zhu, Huaiju Liu, Yiming Chen. Conceptual design and optimization of polymer gear system for low-thrust turbofan aeroengine accessory transmission. J Comput Des Eng, 2024, 11(1): 212-229.

[45] Jizhan Wu, Peitang Wei, Guoqiang Liu, Difa Chen, Xiuhua Zhang, Taimin Chen, Huaiju Liu. A comprehensive evaluation of DLC coating on gear bending fatigue, contact fatigue, and scuffing performance. Wear, 2024, 536-537: 205177.
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