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3.3.3 輸入輸出軸的有限元模態(tài)分析
在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，模態(tài)分析用于確定所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)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(jī)及螺桿泵相連，其動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)直接影響它們的性能及壽命，所以應(yīng)對(duì)輸入、輸出軸進(jìn)行模態(tài)分析，確定其固有頻率及振型，也為諧響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析奠定基礎(chǔ)。
模型采用IGES格式導(dǎo)入，拓?fù)湫扪a(bǔ)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(kuò)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的各振型見圖3-17。
根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系：
n=60·f
式中n——轉(zhuǎn)速，rpm；
f——頻率，Hz。
將輸入、輸出軸的固有頻率轉(zhuǎn)化為臨界轉(zhuǎn)速，所得結(jié)果見表3-2。
表3-2輸入、輸出軸的臨界轉(zhuǎn)速
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輸入軸 |
輸出軸 |
| 階次 |
1 |
2 |
3 |
4 |
1 |
2 |
3 |
4 |
| 轉(zhuǎn)速 |
130560 |
149580 |
189840 |
191580 |
95040 |
95100 |
409260 |
410820 |
輸入軸和輸出軸的工作轉(zhuǎn)速分別為2980rpm和330rpm，從表3-2中可以看出，兩軸的工作轉(zhuǎn)速均大大低于臨界轉(zhuǎn)速。
3.4 減速器虛擬樣機(jī)仿真研究
在制造減速器樣機(jī)前，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，目的在于檢驗(yàn)是否存在運(yùn)動(dòng)干涉及驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性。
3.4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介
機(jī)械系統(tǒng)中的虛擬樣機(jī)技術(shù)又稱為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，是20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)CAE技術(shù)。它可以使設(shè)計(jì)者在計(jì)算機(jī)上建立樣機(jī)模型，對(duì)模型進(jìn)行各種動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)。從而可以簡化機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)過程，縮減開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級(jí)性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。
虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究對(duì)象是機(jī)械系統(tǒng)，它可以視為由多個(gè)相互連接、彼此能夠相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件的組合。核心是利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，同時(shí)，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)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(jī)技術(shù)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(jī)動(dòng)態(tài)仿真
在虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件的位置或相對(duì)位置與時(shí)間的關(guān)系是規(guī)定好的，其余構(gòu)件的位置、速度和加速度與時(shí)間的關(guān)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(gòu)件的運(yùn)動(dòng)分析，而與引起運(yùn)動(dòng)的力無關(guān)。
將Pro/ENGINEER建立起來的減速器三維裝配實(shí)體模型通過Mechpro接口程序?qū)階DAMS，對(duì)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(jī)架之間；
Fixed joint：中心輪與機(jī)架、活齒架與輸出軸之間；
Rotational joint motion：輸入軸Revolutejoint上；
作用力：對(duì)每個(gè)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(dòng)調(diào)用ADAMS-Solver進(jìn)行求解，并實(shí)時(shí)地將每一幀顯示在屏幕上，形成動(dòng)畫。仿真過程的部分關(guān)鍵幀見圖3-19。
根據(jù)ADAMS仿真結(jié)果可知，按照前面確定的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的減速器能夠正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)預(yù)定的傳動(dòng)比，無運(yùn)動(dòng)干涉。
3.5 本章小結(jié)
1.首先根據(jù)減速器需要滿足的幾何條件、運(yùn)動(dòng)條件和強(qiáng)度條件初步確定出減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；
2.采用Pro/ENGINEER 建立起減速器的三維實(shí)體模型，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)樣機(jī)中的關(guān)鍵件進(jìn)行了強(qiáng)度分析和模態(tài)分析。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)的減速器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究，從而在靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三方面全面驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。
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