齿轮是将旋转运动从一个轴到另一个轴的齿形构件。在圆柱体的外侧具有平行于圆柱体轴线的齿，这种齿轮叫做圆柱齿轮。尽管这种齿轮结构比较简单，但它的应用较为广泛。圆柱齿轮的设计取决于输入参数，如功率、速度、运行条件、疲劳寿命，其计算需要迭代过程。
该研究旨在为特定的正齿轮设计选择最佳材料。一种称为Ashby的先进材料选择技术（文中Figure 1.）可用于根据材料指数确定合适的材料。该方法需要目标函数、约束和自由变量。目标函数可基于弯曲强度，这样可使质量最小化，而弯曲疲劳破坏可作为约束条件。设计过程中的所有输入参数和修改因子都视为自由变量。根据它们的数值，对合适的材料进行排序，然后进行齿轮设计。使用不同类型的材料进行了多种齿轮设计，以计算不同零件重量之间的差异。将模块和面宽度结果也相互比较，从而找到适合于正齿轮设计的轻质和高强度材料。与传统齿轮材料相比，重量减轻达63%，候选材料性能见文中的Figure 4。
Figure 1：Ashby Material Selection Strategy
Figure 4：Candidate materials for high strength and low weight spur gear design
根据本文，应用先进的材料选择技术（如Ashby方法）对优化相关的工程问题非常有用，该方法可以解决以往传统方法对近似材料的选择而导致结构优化不够充分的问题。特别是在航空航天或医疗领域等重量要求严格的工程中，高强度的适当轻质材料选择已成为优化相关设计问题的关键。在本文中，Ashby方法被用来研究用于齿轮设计的轻质高强度材料。确定基于弯曲疲劳强度的材料并分级材料的指数值。该排名也与正齿轮设计结果达成了很好的一致。因此，与传统齿轮材料相比，钛合金或铍合金等新一代材料的重量减轻约36%至63%。
