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3.3.3 輸入輸出軸的有限元模態(tài)分析
在結構動力學分析中，模態(tài)分析用于確定所設計的結構或機器部件的振動特性（固有頻率和振型）。由于輸入軸和輸出軸直接與潛油電機及螺桿泵相連，其動力學表現(xiàn)直接影響它們的性能及壽命，所以應對輸入、輸出軸進行模態(tài)分析，確定其固有頻率及振型，也為諧響應分析、隨機振動分析奠定基礎。
模型采用IGES格式導入，拓撲修補后選擇單元為solid45，指定楊氏模量為2.06×1011N/m2，密度為7800kg/m2，泊松比為0.3。采用自由網(wǎng)格劃分，劃分精度為7 。劃分網(wǎng)格并施加約束的輸入軸見圖3-14。選擇Block Lanczos特征值求解器，指定擴展模態(tài)數(shù)為4，頻率范圍為O～8000Hz。求得輸入軸的前四階固有頻率為2476Hz、2493Hz、3164Hz、3193Hz，對應的振型見圖3-15。
同樣劃分網(wǎng)格并施加約束的輸出軸見圖3-16。求得輸出軸的前四階固有頻率為1584Hz、1585Hz、682lHz、6847Hz，對應的各振型見圖3-17。
根據(jù)旋轉軸轉速與頻率的關系：
n=60·f
式中n——轉速，rpm；
f——頻率，Hz。
將輸入、輸出軸的固有頻率轉化為臨界轉速，所得結果見表3-2。
表3-2輸入、輸出軸的臨界轉速
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輸入軸 |
輸出軸 |
| 階次 |
1 |
2 |
3 |
4 |
1 |
2 |
3 |
4 |
| 轉速 |
130560 |
149580 |
189840 |
191580 |
95040 |
95100 |
409260 |
410820 |
輸入軸和輸出軸的工作轉速分別為2980rpm和330rpm，從表3-2中可以看出，兩軸的工作轉速均大大低于臨界轉速。
3.4 減速器虛擬樣機仿真研究
在制造減速器樣機前，根據(jù)設計參數(shù)對其進行虛擬樣機的運動學仿真，目的在于檢驗是否存在運動干涉及驗證結構設計參數(shù)的可行性。
3.4.1 虛擬樣機技術簡介
機械系統(tǒng)中的虛擬樣機技術又稱為機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，是20世紀80年代隨著計算機技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項CAE技術。它可以使設計者在計算機上建立樣機模型，對模型進行各種動態(tài)性能試驗。從而可以簡化機械產(chǎn)品的開發(fā)過程，縮減開發(fā)周期，減少開發(fā)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品質量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設計產(chǎn)品。
虛擬樣機技術的研究對象是機械系統(tǒng)，它可以視為由多個相互連接、彼此能夠相對運動的構件的組合。核心是利用計算機輔助分析技術進行機械系統(tǒng)的運動學和動力學分析，以確定系統(tǒng)及其各構件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構件運動所需的作用力及其反作用力。
目前，國際上己經(jīng)出現(xiàn)虛擬樣機技術的商業(yè)軟件，其中最優(yōu)秀的是美國MDI公司開發(fā)的ADAMS 軟件。
3.4.2 減速器虛擬樣機動態(tài)仿真
在虛擬樣機的運動學分析中，系統(tǒng)中一個或多個構件的位置或相對位置與時間的關系是規(guī)定好的，其余構件的位置、速度和加速度與時間的關系，可以通過求解位置的非線性方程組和速度、加速度的非線性方程組來確定。它主要涉及系統(tǒng)及其各構件的運動分析，而與引起運動的力無關。
將Pro/ENGINEER建立起來的減速器三維裝配實體模型通過Mechpro接口程序導入ADAMS，對其添加約束和作用力情況見圖3-18，其中：
Revolute joint：輸入軸（波發(fā)生器）、輸出軸與機架之間；
Fixed joint：中心輪與機架、活齒架與輸出軸之間；
Rotational joint motion：輸入軸Revolutejoint上；
作用力：對每個滾柱活齒添加與中心輪和波發(fā)生器的作用力和摩擦力以及與活齒架的作用力。
仿真開始后，ADAMS-View自動調用ADAMS-Solver進行求解，并實時地將每一幀顯示在屏幕上，形成動畫。仿真過程的部分關鍵幀見圖3-19。
根據(jù)ADAMS仿真結果可知，按照前面確定的結構尺寸設計的減速器能夠正常運行并實現(xiàn)預定的傳動比，無運動干涉。
3.5 本章小結
1.首先根據(jù)減速器需要滿足的幾何條件、運動條件和強度條件初步確定出減速器的結構參數(shù)；
2.采用Pro/ENGINEER 建立起減速器的三維實體模型，利用有限元分析軟件ANSYS對樣機中的關鍵件進行了強度分析和模態(tài)分析。利用虛擬樣機技術對設計的減速器進行運動學仿真研究，從而在靜力學、運動學和動力學三方面全面驗證了設計方案的可行性。
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