基于刚柔耦合模型的AUV动力传动系统危险模态与振动源识别研究

针对自主水下航行器(AUV)动力传动系统振动威胁隐蔽任务安全及海洋生态的问题，研究人员构建了考虑柔性变形的刚柔耦合多齿轮传动模型，提出模态能量-坎贝尔图(MECD)联合时域升速-阶次分析(RUOA)方法，精准识别了危险共振模式(误差<20%)及箱体振动源(误差<10%)，为AUV宽速域-重载工况减振设计提供关键技术支撑。

　　

在深邃的海洋中，自主水下航行器(AUV)如同无声的猎手执行侦察任务，但其动力传动系统的振动却可能暴露行踪——齿轮箱振动通过壳体传递至水体，不仅威胁任务隐蔽性，产生的噪声更会干扰海洋生物。更棘手的是，齿轮时变啮合刚度、传动误差等复杂激励会引发共振，而现有研究多聚焦单一部件（如轴系或箱体），缺乏对整个传动链-壳体耦合振动的系统分析，危险共振模式的识别精度与振动源定位方法亟待突破。

针对这一挑战，重庆大学机械传动国家重点实验室等单位的研究人员开展了创新性研究。他们构建了双啮合齿轮-双中间轴型AUV齿轮箱的刚柔耦合动力学模型，通过子结构模态综合法(SMS)和柔性多点约束(FMPC)精确表征装配关系，并首创模态能量-坎贝尔图(MECD)与升速-阶次分析(RUOA)联用方法，实现了从危险模式识别到振动源定位的全链条破解。相关成果发表于《Ocean Engineering》，为AUV动力系统减振设计提供了新范式。

研究采用三项核心技术：1) 基于柔性体动力学理论的刚柔耦合建模，整合SMS和FMPC方法；2) MECD方法通过模态能量分布与坎贝尔图交叉验证识别危险共振点；3) RUOA方法结合时域升速模拟与阶次追踪定位箱体振动源。实验采用240Nm扭矩、500-1500r/min升速工况验证。

【危险模态识别】
通过MECD分析发现6290Hz、1008Hz等四个危险共振点，其中1008Hz处齿轮-轴承系统模态能量占比超60%，证实该频率下振动能量最易向水体传递。坎贝尔图显示2065Hz共振由二倍啮合频率激发，与柔性轴弯曲模态耦合导致振幅骤增。

【振动源定位】
RUOA方法锁定箱体顶部为最大振动区域，峰值出现在939Hz（误差7.3%），对应中间轴齿轮啮合频率的三阶谐波。阶次分析进一步揭示1500r/min时箱体侧壁振动主要源于轴承外圈缺陷频率的调制效应。

【实验验证】
实测数据与仿真误差普遍低于15%，其中6290Hz共振频率预测误差仅4.8%。MECD与RUOA联用使共振转速识别误差控制在18%以内，显著优于传统单方法分析。

该研究首次实现了AUV齿轮箱"激励-传递-辐射"全路径振动溯源，提出的刚柔耦合建模框架可推广至其他海洋装备。MECD方法通过模态能量权重量化了不同部件对共振的贡献度，而RUOA技术突破了传统频域分析对变速工况的局限。二者协同为AUV隐蔽性设计提供了可工程化的振动控制阈值（如1008Hz需衰减6dB以上），对保护海洋声学环境具有重要实践意义。研究团队指出，未来可结合深度学习方法优化危险模式预警算法，并将该技术扩展至多级行星齿轮系统分析。