高功率大扭矩齿轮传动装置被广泛应用于航空发动机、舰船推进系统、矿山运输机械等大型机械设备,因其结构复杂,传递功率高、扭矩大,相比其他传动装置更容易引发因箱体本身刚度不足和支撑刚度不匹配所带来的箱体变形与齿轮啮合性能恶化,进而造成齿面磨损、胶合、大的振动烈度、噪声等。在设计高功率大扭矩齿轮传动装置的齿轮箱时,传统的设计方法往往是对箱体壁进行加厚,虽然这样能使齿轮箱的静态和动态性能得到有效改善,但是却导致了箱体总质量的剧增,造成材料的浪费和降低了齿轮传动装置的功率密度,已经无法满足现代工程实际的要求。本文以某高功率大扭矩齿轮传动装置箱体为研究对象,基于有限元法、结构优化理论和多目标优化理论,对齿轮箱体进行动态特性分析与结构性能优化。本文主要研究内容及结论如下:（1）传动系统齿轮啮合性能评价。介于齿轮箱与齿轮传动系统是一种相互耦合关系,要保证高功率大扭矩齿轮传动装置具有低的振动,首先需要保证箱体内部的齿轮传动系统具有优良的啮合特性。因此,本文首先建立了高功率大扭矩齿轮传动装置内部齿轮传动系统有限元模型,并进行其服役工况下的瞬态动力学分析,并结合齿轮修形技术改善齿轮啮合性能,最终模型的仿真分析结果表明:各齿面啮合应力斑分布均匀,接触力曲线稳定且波动较小,接触力频率成分简单,以啮合频率73Hz及其部分n倍频为主（n=1,2,3…）为主,内部齿轮传动系统整体啮合性能良好。（2）齿轮箱支撑性能评价。在内部齿轮传动系统啮合性能良好的基础上,对齿轮箱体进行了瞬态动力学分析,结果表明箱体最大应力235MPa,接近材料屈服极限245MPa,箱体变形较大,轴承座中心点最大振动位移0.83mm;还对箱体进行了约束模态分析,对前10阶固有频率和模态振型进行了分析和评价,对比了箱体固有频率和内部传动系统啮合频率,发现第2阶模态频率（214.8Hz）,与内部齿轮传动系统啮合频率73.2Hz成倍数关系,二者之间存在发生共振的可能性;选取箱体中心点振动位移最大的轴承座对应的齿轮对,研究了其在理想状态下和实际振动位移状态下的啮合性能,结果表明箱体变形使轴承座产生的振动位移,会对其支撑的齿轮的啮合性能造成接触力波动增大、脱啮等不良影响。（3）齿轮箱材料布局优化。基于变密度法建立了箱体的拓扑优化模型,在Optistruct优化模块中完成了设计变量、拔模方向和成员尺寸等优化参数设置,以控制体积分数为约束函数,箱体的整体刚度最大化为目标函数,完成了齿轮箱的拓扑优化设计。根据拓扑优化结果中材料的堆积方式和箱体瞬态动力学分析结果,布置加强筋,得到箱体的初步优化方案,并进行了箱体加强筋建模。（4）齿轮箱瞬态性能优化。基于多目标优化理论,以箱体壁厚和加强筋尺寸为设计变量,利用ISIGHT多目标优化平台软件集成前处理软件ANSA、求解器LSDYNA以及数据后处理器META等模块,进行齿轮箱多目标尺寸优化设计。优化后箱体第2阶固有频率从214.8Hz上升至253.7Hz,最大程度上避开了内部齿轮传动系统啮合频率的倍频,降低了二者之间发生共振的可能性;箱体最大应力下降至115MPa,整体应力水平更小也更均匀;轴承座中心点最大振动位移下降至0.25mm,各轴承座中心点振动加速度RMS值与波动百分比也都改善明显;优化后箱体总质量345.2kg,虽然较优化前无加筋原始模型有所增加,但是较初步优化方案减少了29.4kg,达到了优化的目的。通过对比优化前后和原始模型轴承座中心点实际振动位移状态下对应齿轮的啮合情况,发现优化后的接触力波动范围更小（原始模型0～1800000N,尺寸优化后110000～240000N）,没有明显啮入啮出冲击和脱啮现象,齿面啮合应力斑分布更加合理、更加均匀,进一步验证了优化方案的可行性。