p056_280柴油机曲轴-连杆-活塞机构的运动学、动力学仿真分析

2004年 MSC.Software 中国用户论文集 280柴油机曲轴-连杆-活塞机构的 运动学、动力学仿真分析 马哲树 姚寿广 肖 民 江苏科技大学机械与动力工程学院 2004年 MSC.Software 中国用户论文集 280柴油机曲轴-连杆-活塞机构的运动学、动力学仿真分析 马哲树 姚寿广 肖 民 （江苏科技大学机械与动力工程学院 江苏 镇江 212003） 摘 要： 提出了基于 Solidworks 和 MSC.VN4D 平台对柴油机主要运动机构进行多刚体系 统运动学动力学仿真的具体解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，并基于此方案对 PA6-280 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 型柴油机的曲轴-连 杆-活塞机构进行了运动学和动力学仿真分析。仿真得到的机构运动学和动力学特性，与 理论计算结果吻合较好，可为该型柴油机的曲柄连杆机构的优化和改进设计提供依据。 关键词： 运动学仿真；动力学仿真；柴油机；虚拟样机 一、前言 为了降低产品的生产周期、降低成本、提高产品质量，在机械系统中预先或在生产过 程中对其中的零部件进行基于模拟仿真方法的物理场（如应力应变场、温度场等）分析已 经得到了非常广泛的应用。工程中复杂运动机构的运动学、动力学特性，往往很难通过理 论计算的方法来获得，借助于功能强大而可靠的基于多刚体系统动力学的仿真软件系统 （如 Adams和 MSC.VN4D等）通过大量的计算可以得到机构中各个运动副实时的运动学 动力学性能曲线，这种方法正在掀起机构特性仿真研究的热潮。 多刚体系统动力学是在经典力学的基础上产生的新学科分支，多刚体系统是由多个刚 体用各种形式的连接器连接组成的，连接两个刚体的连接器称为铰链，每个铰链连接的刚 体偶对称为邻接刚体。从约束和受力的角度来看，在铰链中可以含有任何性质的运动学约 束和相应的约束反力，也可以不含有运动学约束。实际工程中的许多复杂机械系统都可以 简化成多刚体系统。 MSC.VN4D是一个集成了运动学、动力学仿真和有限元分析功能的软件系统。其具有 的主要功能包括：通过自动载荷转换技术对载荷实现自动转换；有限元网格自动划分；可 扩充的材料库；可以提供静力、屈曲、自由模态等分析类型；可以直接读取 MSC.Nastran 的二进制结果输出文件；可以同时打开多个窗口，从不同角度观察机构运行情况，还可以 对多个窗口进行渲染处理；以动画形式显示有限元的计算结果；可以将结果输出为 AVI格 式、文本格式、HTML 格式、VRML 格式等。此外，MSC.VN4D 的精度控制可以设定动 画步长、配置误差、积分器和积分步长等控制选项，以便精确地求解出机构的运动情况。 有限元精度控制可以控制有限元求解的精度及求解时间，允许使用者手工定义零件的质量 特性、转动惯量、初始速度、零件材料（包括摩擦系数、密度、碰撞系数等）等特性。同 时，它可以直接调用 Inventor、Mechanical Desktop、SolidEdge、Solidworks、Pro-E、AutoCAD 等 CAD软件的三维零部件装配模型进行仿真，并自动将三维 CAD软件中添加的静态装配 约束条件转化为铰链进行仿真。Solid Works 是基于Windows平台的全参数化特征造型软 2004年 MSC.Software 中国用户论文集 件，它可以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。SolidWorks 由于其功能强大、易学易用和技术创新等方面的出色表现而成为业界领先、主流的三维 CAD解决方案。而且使用 SolidWorks创建的整个产品设计和装配的各个环节如零件设计、 装配设计和工程图之间是全相关的，修改任一处则与之对应的其他模型也随即得到更新。 本文基于多刚体系统动力学思想首先对所研究的 PA6-280 标准型柴油机曲轴-连杆-活 塞机构简化成为多刚体系统，然后在 Solidworks环境中建立其三维虚拟样机模型，最后在 MSC.VN4D中完成对其运动学、动力学特性的模拟仿真。 二、PA6-280标准型柴油机曲轴-连杆-活塞机构虚拟样机的建立 在 Solidworks 中建立 PA6-280 标准型柴油机虚拟 样机模型时，先对该柴油机 的曲轴-连杆-活塞机构中的 主要部件进行特征分析，根 据各自的特点进行参数化的 特征造型，再按照各部件的 实际配合情况通过施加装配 约束的方法进行虚拟装配。 所得到的 PA6-280标准型柴 油机曲轴-连杆-活塞机构虚 拟样机实体模型如图 1 所 示。 图 2 为仿真模型的各 种约束与添加示意图。由图 可以看出，除了零部件之间 的几何位置的精确定位和约 束之外，其他约束还包括： （1）曲轴转速控制约束； （2）活塞运动规律控制约 束；（3）活塞缸顶压力约束；（4）曲轴阻力矩约束；（5）轴承限制约束。具体施加时可以 在MSC.VN4D的图形交互环境下进行。 图 1 PA6-280标准型柴油机曲轴-连杆-活塞机构模型 图 2 仿真模型的各种约束与添加示意 2004年 MSC.Software 中国用户论文集 三、运动学及动力学的模拟与仿真分析 在 MSC.VN4D 中，通过添加模拟 约束来控制零部件与零部件之间的相互 位置关系以及赋予驱动零部件的运动规 律和驱动力等，模拟约束添加的位置通 过坐标系 coord来实现。 将 PA6-280 标准型柴油机曲轴-连 杆-活塞机构虚拟样机模型导入 MSC. VN4D 中，施加正确的模拟约束。对于曲轴-连杆-活塞机构而言，力源主要是气体压力和 运动件的惯性力，而气体压力和往复惯性力不是定值，而是随曲轴转角不断变化的，通过 MSC.VN4D的载荷 Table（表格）来给定。由于MSC.VN4D的载荷 Table（表格）只描述 载荷与时间的对应关系，为此须将通常的 p-V或 p-ϕ示功图转换为 p-t曲线，如图 3所示。 然后再作为活塞顶面的压力赋予整个虚拟样机模型。 在 CPU为 Pentium IV 2.4G、内存为 1G的计算机上运行了 6个小时左右后，完成了 PA6-280标准型柴油机曲轴-连杆-活塞机构的动力学和运动学仿真计算，得到了各个约束和 机构部件的运动学特性和动力学特性，为机构的分析优化提供了翔实的依据。 由于 PA6-280 标准型柴油机六个缸的运动情况完全相同，只是彼此相差一定的相位 图 3 280柴油机示功图 图 5 活塞 1的位移、速度和加速度仿真曲线 图 6活塞顶部、活塞销以及曲柄销载荷曲线 图 4 活塞 1的位移、速度和加速度理论曲线 2004年 MSC.Software 中国用户论文集 角。所以，只需取一个汽缸支路来进行分析。图 4、图 5为 1号活塞运动学特性的理论曲 线和仿真曲线。比较图 4，图 5给出的 1号活塞运动学特性的理论结果和仿真结果，可以 看到，模拟输出的曲线与理论曲线在数值的大小和变化趋势上吻合得很好。差异的出现是 由于柴油机在实际工作过程中曲轴转速的输出不均匀，而理论计算却是在假设曲轴转速均 匀的条件下计算得到的缘故。 图 6为 1号活塞顶部、活塞销和曲柄销在直角坐标系下一个发动机运行周期内三个方 向的载荷随时间变化的特性曲线。从图中可以非常直观地看出，载荷呈现出复杂的周期性 变化特点，活塞表面、活塞销以及曲柄销受力最大的时刻出现在活塞上行至上止点稍后， 对应于燃烧室内的最大爆发压力出现的时刻。 除了可以得到各个约束和部件的运动学和动力学特性之外（以上只给出了一些典型部 位的特性曲线），基于MSC.VN4D环境还可以进一步将所得到的动态载荷作为外部边界条 件，来对零部件进行应力应变场的时变分析，从而为零部件的强度设计提供指导。 四、结论 本文提出了基于Solidworks和MSC.VN4D平台对柴油机主要运动机构进行多刚体系统 运动学动力学仿真的具体解决方案，并基于此方案对 PA6-280 标准型柴油机的曲轴-连杆- 活塞机构进行了运动学和动力学仿真分析。仿真得到的机构运动学和动力学特性，与理论 计算结果吻合较好，可为该型柴油机的曲柄连杆机构的优化和改进设计提供依据。 五、参考文献 1.刘延柱．多刚体系统动力学．高等教育出版社，1989 2.陈乐生，王以伦．多刚体动力学基础．哈尔滨工程大学，1995 3.郑启福．内燃机动力学．国防工业出版社，1991 4.陈国聪，杜静。机械 CAD/CAE应用技术基础．机械工业出版社，2002 5.SE160柴油机活塞组有限元三维耦合分析。大连理工大学学报．2002年第 5期