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3.3.3 輸入輸出軸的有限元模態分析
在結構動力學分析中，模態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。采用自由網格劃分，劃分精度為7 。劃分網格并施加約束的輸入軸見圖3-14。選擇Block Lanczos特征值求解器，指定擴展模態數為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
| |
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，根據設計參數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的可行性。
3.4.1 虛擬樣機技術簡介
機械系統中的虛擬樣機技術又稱為機械系統動態仿真技術，是20世紀80年代隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一項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性能試驗。從而可以簡化機械產品的開發過程，縮減開發周期，減少開發費用和成本，明顯提高產品質量，提高產品的系統級性能，獲得最優化和創新的設計產品。
虛擬樣機技術的研究對象是機械系統，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的運動學和動力學分析，以確定系統及其各構件在任意時刻的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數方程組確定引起系統及其各構件運動所需的作用力及其反作用力。
目前，國際上己經出現虛擬樣機技術的商業軟件，其中最優秀的是美國MDI公司開發的ADAMS 軟件。
3.4.2 減速器虛擬樣機動態仿真
在虛擬樣機的運動學分析中，系統中一個或多個構件的位置或相對位置與時間的關系是規定好的，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預定的傳動比，無運動干涉。
3.5 本章小結
1.首先根據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；
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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