（机械工程专业论文）240275柴油机虚拟样机轴系运动学及动力学仿真分析.pdf

摘要 摘要 本文进行了常规的曲柄连杆机构动力学分析方法与使用现代计算机仿真技术的对 比，阐述了计算机仿真技术的优势所在，并利用动力学仿真a d a m s 软件分别进行了 2 4 0 单缸机和1 6 v 2 4 0 z j 型机车柴油机轴系的多体动力学仿真分析，计算机动力学仿真 分析主要进行了包括各构件的运动与受力分析、1 6 v 2 4 0 z j 型柴油机的平衡性分析以及 柔体曲轴系扭振分析等内容，获得了准确的仿真数据，形成了活塞部件的受力载荷谱。 在柴油机设计阶段进行平衡性分析和曲轴系的振动分析，可以为设计选型和具体的结构 设计提供依据。 本文对原2 4 0 型组合活塞失效模式进行了分析，。找到了组合活塞裂损失效的原因， 针对失效原因确定了组合活塞结构分析路线，利用动力学分析所得的组合活塞部件载荷 谱，作为在i - d e a s 软件中对活塞部件进行疲劳强度计算的边界条件，进而进行组合活 塞结构强度的有限元分析，并进一步进行活塞结构的优化设计，得到以疲劳安全系数为 优化参数的2 4 0 活塞的优化方案，优化方案将原活塞的疲劳安全系数从最小值1 0 3 提高 到最小值1 9 2 ，大幅度提高了疲劳安全系数。对仿真结果进行了检验和验证，该优化方 案在实际工程应用中取得了很好的社会效益和经济效益。 关键词：优化设计；仿真；多体动力学；组合活塞；疲劳安全系数 大连交通大学t 稗硕十学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ew a sc o m p a r i n gc o n v e n t i o n a lc r a n kl i n k a g eo r g a nd y n a m i c sa n a l y s i st ot h e m o d e mc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y s e t t i n gf o r t ht h ea d v a n t a g eo ft h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，a n du s i n gt h ed y n a m i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m st oa n a l y s e r e s p e c t i v e l y2 4 0s i n g l e - c y l i n d e rl o c o m o t i v ea n dm u l t i - - b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i so f 16 v 2 4 0 z jl o c o m o t i v ed i e s e le n g i n es h a f t ，t h ec o m p u t e rd y n a m i c ss i m u l a t i o nc a r r i e do u ta m a j o ra n a l y s i so f t h ev a r i o u sc o m p o n e n t so f t h em o v e m e n ta n da n a l y s i s ，1 6 v 2 4 0 z j d i e s e l - b a l a n c ea n a l y s i s ，a sw e l la sf l e x i b l ec r a n k s h a f tt o r s i o n a lv i b r a t i o ns y s t e ma n a l y s i s ， a c q u i r et h ea c c u r a t es i m u l a t i o nd a t a , f o r ml o a ds p e c t r u mo f t h ep i s t o n sp a r tf o r c e i nt h e d i e s e ld e s i g ns t a g ef o rab a l a n c e da n a l y s i so ft h ec r a n k s h a f ta n dt h ed e p a r t m e n to fv i b r a t i o n a n a l y s i sf o rt h es e l e c t i o na n dd e s i g no fc o n c r e t es t r u c t u r e sd e s i g n e dt op r o v i d eab a s i s i nt h i sp a p e r ，t h ec o m b i n a t i o no ft h eo r i g i n a l2 4 0 - p i s t o nf a i l u r em o d e sw e r ea n a l y z e dt o f i n dt h ec o m b i n a t i o no fp i s t o n l o s se f f e c to ft h er e a s o n sf o rf a i l u r et oi d e n t i f yt h er e a s o n sf o r t h ec o m b i n a t i o no fs t r u c t u r ep i s t o n sa n a l y s i so ft h el i n e ，t h eu s eo fd y n a m i ca n a l y s i sf r o ma c o m b i n a t i o no fc o m p o n e n t sp i s t o n sl o a ds p e c t r u m ，a si nt h ei - d e a ss o f t w a r ef o rt h ep i s t o n s i n t h ec a l c u l a t i o no ft h ef a t i g u es t r e n g t ho fp a r t so ft h eb o r d e r ，t oc a r r yo u tf u r t h e rs t r u c t u r a l s t r e n g t ho ft h ep i s t o nc o m b i n a t i o no f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n df u r t h e ro p t i m i z et h e s t r u c t u r eo ft h ep i s t o nd e s i g n ，i no r d e rt og e tt h ef a t i g u ef a c t o ro fs a f e t yf o rt h eo p t i m i z a t i o n o ft h ep a r a m e t e r so ft h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mp i s t o n s2 4 0 ，o p t i m i z a t i o np i s t o n si nt h e o r i g i n a lp r o g r a mo ff a t i g u ef r o mt h em i n i m u ms a f e t yf a c t o ro f1 0 3t o1 9 2m i n i m u m ，a s u b s t a n t i a li n c r e a s ei nf a t i g u es a f e t yf a c t o r t e s t i n ga n dv a l i d a t i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e o p t i m i z a t i o np r o g r a mi nt h ea c t u a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nh a sb e e nm a d ev e r yg o o ds o c i a l a n de c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：o p t i m i z ed e s i g n ；s i m u l a t i o n ；m u l t i - b o d yd y n a m i c s ；c o m b i n a t i o n p i s t o n ；s a f t yf a c t o ro ff a t i g u e l l 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整交通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 匀穆恕 日期：p 2 矽拿年乙月罗日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：，j 娆 日期：纠年工月夕日 导师签名：爿b 久 幸移磋 日期：2 年肛月秒日 工作单位：久谬世薯翻京磅 通讯地址：久渗韦州盼印矿 电子信箱： x 中，t 臣弘，t 缈i 沙 电话：矽一黟夕歹形 邮编：i f 0 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 现代设计方法是提高柴油机综合设计水平的根本途径，利用有限元分析技术和多体 动力学分析技术相结合的虚拟样机技术，可以得到所需要的各种准确数据，为设计开发 高性能柴油机提供强有力的技术支持。 国家8 6 3 项目铁路机车车辆虚拟样机系统的实施，为北车集团所属骨干企业解 决了产品研发中的许多难题，帮助十几个厂所成功实施了虚拟样机科研课题。大连机车 研究所先后承担了其中的中国北车集团科技研究开发计划柴油机增压器、活塞计算机 仿真设计系统开发( 项目编号：2 0 0 3 n x 0 6 2 f ) 、重载机车柴油机活塞关键技术的研 究( 项目编号：2 0 0 4 n g 0 2 4 ) 、1 2 v 2 8 0 3 2 0 z j 柴油机虚拟样机系统关键技术的研究( 项 目编号：2 0 0 4 n x 0 0 5 ) 、机车柴油机轴系虚拟样机关键技术研究( 项目编号2 0 0 6 n x 0 7 2 ) 等科研项目。本文所做的工作即为上述几个科研项目中的数值仿真部分工作。 传统的曲柄连杆机构的动力学分析都是建立在静力学等效原则的基础上对各构件 进行运动分析，计算出各自产生的旋转惯性力和往复惯性力，与气体爆发压力合成后求 解出对机体的作用力以及曲轴系振动的激振力，过程繁琐，成功率低，浪费大量的时间 人力物力新产品开发的周期长，市场竞争力差。 传统的算法通常将连杆质量简化为集中在连杆大头和连杆小头中心的集中质量，其 计算结果一定存在误差。这也会对产品设计造成一定的影响，从而影响产品的运行品质、 可靠性、使用寿命等各个方面。 通过计算机进行多体机构仿真和动力学数值仿真，就有可能从根本上改变这一状况 n 2 3 。方法的改善，必将提高设计效率、缩短开发周期、提高市场竞争力。传统的设计方 法要等到产品物理样机试制完成并经考核后才能确认性能，如果此时发现设计方案不符 合要求，就必须改动设计重新试制，会造成很大的浪费和拖延产品开发时间。 在数值仿真的过程中，可以深刻地观察机构的运动规律、部件的受力分布情况等， 尤其运用多种软件联合进行疲劳寿命的计算，其准确性将大幅度提高，这在既有产品的 改进和新产品的开发中意义重大。 火连交通大学t 稃硕十学何论文 1 2 国内外现状 1 2 1 国内外柴油机轴系运动学和动力学分析现状 目前，国内外对柴油机工作机构的运动学和动力学分析方法很多，其中机构运动学 分析在于研究两个或两个以上物体间的相对运动规律，即位移、速度和加速度随时间变 化的规律；动力学则是研究产生运动的力及其响应。柴油机曲柄连杆系统的动力学分析 主要包括对气体爆发力、惯性力、轴承力和曲轴扭矩等。传统的柴油机工作机构运动学、 动力学分析方法主要有图解法、解析法和复数向量法。 ( 1 ) 图解法 该法形象直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度、所受力的大小及改变趋势 通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于帮助计算机结果正误的判断 和解的初值选择，缺点是精度不高，不经任何计算。对曲柄连杆系统直接图解速度和加 速度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂。 ( 2 ) 解析法 解析法是对逐个构件列出动态平衡方程，通过求解各个构件间的联立的线性方程 组，来求解运动副约束反力和平衡力矩。解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。 ( 3 ) 复数向量法 复数向量法是以各个杆件做为向量，将复平面上的连接过程用复数形式加以表达， 对于包括结构参数和时间参数的解析式对时间求导后，可以得到机构的运动性能该法 是工作机构运动分析的较好方法乜1 。 1 2 2 现代设计方法在柴油机开发中的应用现状 近年来，随着市场竞争的加剧，为了满足市场需求，产品的开发周期不断缩短。但 同时，为了提高质量、降低成本，需做大量实验、分析和数据处理，需要增加设计工作 量。解决这一矛盾的办法，就是采用先进技术和工具，将重点放在早期设计阶段，并大 量应用现代设计理论和方法口一3 。现代设计理论和方法是动态发展的，从狭义来说是为 设计而建立的各种数学模型及求解这些模型的技术乜3 。它在柴油机产品设计中应用的范 围十分广泛，主要有计算机辅助三维设计、有限元强度分析、多刚体动力学分析、计算 机辅助工程热力学分析、优化设计口一1 等。 ( 1 ) 计算机辅助设计( c a d ) 计算机辅助三维设计( c a d ) ，是从6 0 年代发展起来的现代设计方法的重要分支， 它从根本上改变了机械设计的传统模式，引起工程设计领域的深刻变革1 。同时它又综 2 第一章绪论 合性的应用了现代设计理论和方法，并将其有机地集成在c a d 系统中。1 9 9 3 年由上海柴 油机研究所负责、1 2 所高校和研究所参加，开发成功中小功率柴油机辅助设计系统 ( i c e c a d ) 。该系统汇集了当前许多柴油机设计的新成果，采用该系统对柴油机产品( 从 零部件到整机) 既可进行改进设计，又可进行全新设计，它是我国柴油机行业第一个完 整的c a d 系统h h ( 2 ) 有限元强度分析 有限元法是利用变分原理将力学、热力学中的微分方程边值问题归结于求泛函极值 问题，并利用计算机求解。从7 0 年代起我国就在柴油机产品设计中应用有限元技术， 应用a n s y s 、a d i n a 等大型有限元程序系统计算与分析连杆、曲轴及增压器叶轮等柴油 机零部件的静、动态应力，以及柴油机整机结构刚度问题，其成果己在中小型柴油机产 品设计上推广应用崎1 。 ( 3 ) 多刚体动力学仿真( m b s ) 多刚体动力学仿真( m u l t i b o d ys i m u l a t i o n ) 是近十年发展起来的动力学系统数 值仿真手段。m b s 提供了设计过程中设计方案多体动力的分析和优化，在动力机械领域 获得了越来越广泛的应用。它利用计算机建造的模型对实际系统进行数值实验研究。它 充分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上 运行仿真实验阻1 。目前的m b s 软件主要有a d a m s ，d a d s ，s i m p a c k 等凹1 训。m b s 软件的最大 优点在于仿真过程中无需编写复杂仿真程序，在分析时以虚拟样机的形式对设计进行校 验。 ( 4 ) 优化设计 应用优化设计技术的目的在于改善柴油机产品的性能，减轻零件质量、降低应力水 平、延长工作寿命、提高系统可靠性、降低产品成本。通过目标函数和约束条件对这些 要求做数学描述，最后化为约束条件限定的目标函数求极值问题，以求得整体的权衡折 衷啼3 。通常采用较多的是有约束非线性规划法，国内已有不少单位对柴油机零件，如气 门弹簧、活塞、连杆、曲轴等进行优化设计或从多方案中选优晦1 。 对机车柴油机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，发现运动 干涉；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构系统内力分配；根据机构运动约束及性 能目标进行优化，可最大限度，对设计提供指导和修正硌一1 们。目前国内大学和企业已 进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现柴油机曲 柄连杆机构运动干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设 计依据1 。 3 大连交通人学i ：稃硕十学位论文 1 2 3 国内外对柴油机动平衡研究现状 为解决柴油机的动平衡和振动问题，设计人员对轴系进行了不断的改进和创新，如 目前存在的双曲轴机构、无连杆机构、两角转子机构、无曲轴机构等1 _ 1 4 1 。 单缸双曲轴柴油机是9 0 年代初期由洛阳工学院钱程等人设计的，其结构要点是双 连杆与双曲轴相对于活塞轴线对称布置1 。采用双曲轴机构的优点是：柴油机无需复杂 的平衡机构即可消除活塞对气缸套的侧向力产生的摩擦损失与磨损，克服往复惯性力引 起的振动与噪声，实现节能、节材、低振动的目的。 早在3 0 年代，前苏联对无连杆柴油机就有比较全面的论述与专著，并在蒸汽机和 航空发动机上使用过我国无连杆柴油机的研究始于5 0 年代，吉林工业大学将无连杆机 构用于小型压缩机取得成功。山东、湖南等省有关专家先后试制过齿轮滑块式小型单缸 无连杆汽油机及压缩机安徽工学院于8 0 年代末期研制的偏心轮滑块式无连杆柴油机具 有结构简单紧凑、零部伴少、运转平稳等优点n2 | 。 两角转子机构是在三角转子的基础上发展起来的，它取消了曲柄连杆机构，也不用 三角转子柴油机的行星齿轮机构，结构更紧凑、重量体积更小、零部件更少，特别适用 于轻型柴油机及一些特殊场合，有很高的应用价值“5 l 。 实施上述方法需要靠人工手算、编写程序进行设计，并需要试验验证。这一过程费 时费力，试验失败还会带来损失浪费。应用虚拟样机技术在计算机上进行设计、试验， 可以解决上述问题，具有省时、省力、经济的优点。 1 2 4 国内外对机车柴油机活塞可靠性研究现状 国外内燃机和机车柴油机快速发展的经验告诉我们，整机的发展，离不丌配件水平 的提高“6 1 ，十全十美的产品是发动机厂和具备开发能力的专业配件厂家互动的结果。比 如世界最大的活塞制造厂之一德国的m a h l e 公司，建立了规模宏大的研究发展中心，该 中心现有各类技术人员3 0 0 余人，装备有世界上最先进的仪器和设备，另外世界范围内 还有4 0 0 多名技术人员共同从事m a h l e 产品的开发和科研工作。m a h l e 拥有4 0 多个柴油 机试验台，从柴油机的角度开展了大量与活塞相关的试验及测试，还针对活塞不同的故 障模式逐步建立模拟试验技术，规范健全了模拟试验设备，如活塞应力模拟试验装置、 活塞热疲劳试验装置、活塞液力疲劳试验装置、活塞环槽磨损模拟试验装置等等，可以 快速评价活塞的设计和寿命。随着计算机仿真技术的发展，活塞运动学、动力学仿真、 活塞c f d 分析、活塞系统有限元稳态和瞬态分析在活塞设计、研制中获得广泛运用，它 与台架试验、模拟试验、运用经验相互印证，取得了事半功倍的效果。正因为他们对产 品系统地进行了计算分析、模拟试验、台架试验和运用试验验证，积累大量的试验数据 4 第一章绪论 和经验，因此他们可以很快地研制出适应用户要求的活塞，还可以迅速有效地用测试、 试验和分析手段解决用户使用中出现的问题。 毋庸置疑，研制生产满足用户要求的柴油机离不开科技创新和技术进步，但更离不 开以往的工程实践经验、试验研究、运用故障数据等基础材料，缺少这个基础支撑，开 发出的产品犹如空中楼阁。纵观世界内燃机行业的领军企业，他们拥有最新的技术，但 更令人们羡慕的是他们拥有k n o w - h o w ，即积累的丰富的工程实践经验、大量的试验研究 和故障处理数据。由于重视知识管理，建立起了共享的共用模块和知识库，同时零件、 部件、组件也通过标准化、通用化来共享，这样就提高了产品开发效率，缩短了产品上 市时间。 ( 1 ) 工作条件的测试 先进的活塞生产厂家一般都拥有现代化的柴油机试验台架，能掌握柴油机运行中可 能遇到的运转条件，以及该运转条件下活塞运行状态。另外，建立了模拟试验设备，拥 有相应的试验技术规范。 例如，m a h l e 公司、a e 公司、日本i z u m i 工业株式会社、小松制作所等拥有机械连 杆机构，能既快又全面的直接测出柴油机运转时的温度和应变数据。m a h l e 公司、k s 公 司还能利用遥测法测量活塞的工作应力。也有用硬度塞法或者易熔合金法测量柴油机全 负荷运转时活塞关键部位的温度。 德国m a h l e 公司和日本i z u i n i 工业公司等活塞企业，使用光弹性法来查明活塞的应 力状况。m a h l e 公司拥有一套光弹性应力测试系统，可以随时对任何一种结构的活塞或 其它产品的模型进行光弹性应力分析。 ( 2 ) 运动学动力学仿真分析 近十年大型多体动力学仿真软件发展迅速，使得柴油机动力学分析越来越深入啪 2 引。进行柴油机曲轴系的动力学仿真分析，不仅可以为柴油机的设计选型和具体的结构 设计提供依据，还为活塞等部件的设计提供帮助。此外，活塞二阶运动和活塞环组动态 特性的预测仿真分析，可以在设计阶段预测最佳的活塞环和活塞组合特点，以达到主机 厂的目标。应用运动学动力学仿真分析软件可以大大节省研制时间及成本。 ( 3 ) 活塞失效模式及原因分析 领先活塞生产厂家均把与活塞相关的故障模式及原因分析( f m e a ) 作为活塞设计、 研究、生产的重要项目，通过对故障模式、故障机理的研究，把从使用实际得来的的有 关影响产品可靠性的措施或经验条理化、规范化，形成适合于产品的可靠性设计准则， 供产品研制设计、试验和制造时使用。 5 大连交通人学t 程硕十学伊论文 例如m a h l e 公司广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验，将收集的试验和 实际使用的数据形成数据库，使设计者能共享这些实践过的经验。这些数据库是他们积 累的技术财富，与设计规范同等重要。 在这方面我们的差距是巨大的，缺乏有效的产品开发流程和项目管理，缺乏技术积 累，几乎没有产品开发平台。做个不恰当的比喻，对于企业知识的积累，优秀的企业是 员工智慧的集成；而我国企业的“知识档案”很像活页文选，每位员工或项目组所做的 工作在企业的“知识档案”上记录得不多，大多保存在员工的脑子里，员工或项目组不 在了，这一页就翻过去了，所做的工作内容就消失了，如果想开展这方面的工作，只得 从头再来。 1 2 5 组合活塞的有限元仿真分析 有限元仿真分析技术发展很快，任何一个新型机车柴油机的产生，都伴随着分析 人员大量的有限元仿真分析工作，该技术已成为柴油机设计、评价、诊断和失效分析必 不可少的工具，国内用有限元仿真分析来指导柴油机研制的事例逐渐增多。 组合活塞是机车柴油机的重要零部件，使用条件苛刻，设计难度较大。以往活塞 凭经验和类比进行设计，但随着柴油机的强化，这样设计的失误增加，它已成为柴油机 开发的瓶颈n 7 “8 、柏 鹌3 。国外在组合活塞的设计中比较早地引入了有限元方法n9 2 3 4 1 5 。 世界知名的活塞生产厂家如德国的m a h l e 、k s 公司，以及英国的r i c a r d o 和奥地利的a v l 等研究所都曾对组合活塞做过三维有限元分析，考虑了活塞的接触问题和热负荷并利用 疲劳理论评价活塞使用寿命。目前活塞三维有限元分析己作为活塞设计的有效工具投入 使用。 国内机车柴油机主机厂也十分重视有限元分析，但限于条件，大连机车车辆厂啪1 和戚墅堰机车车辆厂均请国外知名研究所对其柴油机组和活塞做了三维有限元计算分 析。 国内一些高校也曾做过组合活塞的三维有限元分析噜1 、2 羽，由于边界条件、试验条件 等方面的限制，三维有限元计算分析的结果对组合活塞的设计指导作用不大。本文利用 1 4 活塞裙以及1 4 活塞组模型对2 4 0 2 7 5 系列机车柴油机钢头铝裙组合活塞的活塞裙 裂损失效原因进行了初步分析，对各种改进进行了计算对比，对机车柴油机组合活塞的 设计提供了有益的帮助，同时具有多体、热一机耦合、接触的组合活塞系统的三维有限 元分析进行了有益的探索瞳4 船1 。但与国际先进水平相比仍有较大差距。 6 第一章绪论 1 3 本文拟作的工作 本文运用理论分析和计算机数值仿真相结合的方法，对提速机车1 6 v 2 4 0 z j 型柴油 机曲柄连杆机构进行运动学、动力学数值仿真，进而对活塞的可靠性进行深入的仿真计 算分析，其主要研究内容有： ( 1 ) 应用i - d e a s 软件的c a d 模块对曲柄连杆机构进行三维实体建模，确定各组成 部件的质量特性参数和材料特性参数。得到曲柄连杆机构的多刚体动力学模型。 ( 2 ) 应用a d a m s 软件，对已建立的曲柄连杆机构，进行多刚体动力学数值仿真分 析，获得曲柄连杆机构的运动学、动力学特性。 ( 3 ) 应用a d a m s 软件进行含柔体曲轴的多体动力学仿真，获得柔体曲轴的频域响 应特性。 ( 4 ) 通过改变曲柄连杆机构的质心位置改变曲柄连杆机构所受的干扰力，对1 6 v 柴油机曲柄连杆机构进行参数优化。 ( 5 ) 利用动力学仿真所得的活塞载荷谱作为活塞的有限元分析的边界条件，就活 塞部件进行可靠性分析和结构改进。 7 大连交通大学一i ：稃硕十学位论文 第二章机车柴油机轴系动力学仿真 2 1 曲柄连杆机构动力学常规分析方法 曲柄连杆机构动力学常规分析方法n 钆2 h2 2 1 是利用曲柄一连杆机构的几何关系计算各 构件运动的位移、速度、加速度。 柴油机工作时，作用在曲柄一连杆机构上的力主要有：气缸中的气体压力，运 动件的惯性力，运动件的重力；负荷的反作用扭矩及机构的支承反力，构件相对 运动时产生的摩擦力。其中，运动件的重力，在高、中速柴油机中，同其它力相比很小， 一般可以忽略。负荷的反作用扭矩，则与曲轴输出扭矩相平衡。而支承反力，则是进行 曲柄一连杆机构受力分析的内容之一。摩察力主要在研究磨损和轴系振动时要加以考 虑，而在分析构件受力和强度时，因影响较小，一般也可不予考虑。因此，在曲柄一连 杆机构受力分析中影响最大的力源主要是气体压力和运动件的惯性力。作用在活塞上的 气体压力，它与柴油机的工作过程及负荷状态有关，是曲柄转角的函数，可由理论计算 示功图或实测示功图求得。而运动件的惯性力则在以往的理论设计和计算中往往加以简 化，即用几个适当配置的集中质量来代替分布的质量，曲柄连杆机构复杂的惯性力系简 化为曲柄的离心惯性力和活塞的往复惯性力。曲柄连杆机构简化为无质量的连杆和集中 在活塞销中心和曲柄销中心的两个集中质量。这样就可以计算出在柴油机稳定工况下活 塞、连杆及曲柄的运动规律与受力。 机车柴油机的工作机构主要采用中心式曲柄连杆机构，其气缸中心线通过曲轴的旋 转中心，结构简图如图2 一l 所示： i 图2 一l 曲柄连杆机构结构简图 f i g 2 1d r a w i n go fc r a n k c o n n e c t i n gr o d 8 第二章机下柴油机轴系动力学仿真 图中：1 一连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离； r 一曲柄半径，指曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离； q 一曲轴转角，指曲轴偏离气缸中心线的角度； 1 3 一连杆摆角，指连杆中心线在其摆动平面内偏离气缸中心线的角度； 一曲轴旋转角速度； x 一活塞位移，指活塞由上止点开始向下止点运动的距离，上、下止点分别 指活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远、最近的位置n 9 2 引。 活塞在气体爆发压力作用下作往复运动，并通过连杆将往复运动转化为曲轴的旋转 运动。在曲柄连杆机构进行运动学、动力学分析时，通常近似的认为曲轴作匀速旋转运 动n 引，并将机构的各种运动学和动力学参数表示为曲轴转角q 的函数。 活塞位移x x = ( r + 1 ) 一( r c o sa + l c o s1 3 ) ( 2 1 1 ) 式中，1 3 = a r c s i n ( 入s i nq ) 其中入为连杆比r 1 。 活塞速度v s i n + p ) v = ，o c o sp ( 2 1 2 ) 活塞加速度a 口：心f 竺型盟+ a c o s 2 。( x1 l c o s1 3 c o s p ( 2 1 3 ) 式中，c o s1 3 可按牛顿二项式定理展开成如下级数： c o sd ：1 一三九2s i n 2 仪一! 九4s i n 40 【一土九6s i n 60 【一 281 6 ( 2 1 4 ) 在实际计算中，为简便起见一般只取前两项： c o s b 1 一二九2s i n 2 仅 。 2 ( 2 1 5 ) a = a i + a 式中，a i = r6 02 c o sq ，称为活塞的一级加速度o a h = 入r 6 02 c o s 2q ，称为活塞的二级加速度。 连杆的角速度。 吁矾器= ( o k 雨盖斋( 2 1 6 1 3 、) c o s s i n l = 九= ；_ 鬲厶1 b( 1 一九20 【) “2 9 大连交通人学i ：稃硕十学位论文 连杆的角加速度e 。 - 一琊彳，嚣一撩 ) 2 2 多体动力学理论概述 多体动力学n0 纸4 2 洲1 ，包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学，是研究多体 系统( 由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成) 运动规律的科学。多体动力学仿真充 分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，利用计算机建 造的模型对实际系统进行数值试验研究，它提供了设计过程中设计方案多体动力的分析 和优化，分析的范围包括运动分析、静态( 准静态) 分析、动态分析、灵敏度分析等。 这门边缘性学科所研究的问题囊括了宏观世界机械运动的主要问题。随着其理论研究的 逐步深入，计算方法的r 渐成熟以及计算机技术的迅猛发展，这门科学开始走向实用。 多体动力学仿真软件主要有a d a m s ，d a d s ，s i m p a c k 等，其最大优点在于仿真过程中无 需编写复杂仿真程序，在分析时以虚拟样机的形式对设计进行校验。 对机车柴油机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，发现运动 干涉；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构系统内力分配；根据机构运动约束及性 能目标进行优化，对设计提供指导和修正。目前国内大学和企业已进行了机构运动、动 力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现柴油机曲柄连杆机构运动干 涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据，也是对其 主要零部件进行强度、刚度、磨损等问题计算和校验的依据。总之，对于复杂的柴油机 系统来说，多体动力学方法是一种高效率、高精度的分析方法，它使我们在处理柴油机 复杂动态特性分析方面产生了质的飞跃。 2 2 1 多体动力学的算法原理 设多刚体系统由刀个刚体b ，( f = l ，疗) 组成，地球为零刚体玩。取定一个惯性参考 基e ( o 和每个刚体的连体基p ( ( 扛1 ，珂) ，e o 的原点d i 与质心e 重合。为了确定系统 内每个刚体e 相对于惯性基的位形，可以用它的质心c ，的位置矢径l 的三个分量 ( x , y ，z ) ，确定位置，连体基e 的三个欧拉角 ，0 ，( p ) 。确定方位。将这三个平动坐标和三 个转动坐标写成6 1 矢量列阵 x ，= i xyz 、i ，0 p 】： o = l ，刀) ( 2 2 1 ) 1 0 第二章机车柴油机轴系动力学仿真 这种确定系统内每个刚体位形所采用的统一坐标称为笛卡尔广义坐标。刀个刚体组 成的多刚体系统的位形由6 n 个笛卡尔广义坐标确定，可以写成如下6 n 1 位置矢量列阵 x ( f ) = x ix 2 t x 二】r = 【x 1x 2 x 6 n 】r ( 2 2 2 ) 在多刚体系统运动学中，刚体e 的运动用质心c ，的3 1 位置矢径列阵l 和确定变换 关系p ( o ) = a ，e “的3 3 方向余弦矩阵彳，来描述是方便的。它们都可以用系统的笛卡尔广 义坐标表示为 = ( x ) ，a ，= a ，( x )( f = 1 ，珂) ( 2 2 3 ) 将式( 3 3 ) 的第一式对时间求一次和两次导数，得到刚体最质心的速度和加速度 列阵 v ，= 本= 否6 , 矿c 3 r , ，= 罢宕= 州班( x ) ( 2 2 4 ) 铲露_ 善夸，+ 嚣象 = 兰j = l 玛o ，x j ，嘻象t = 鲁舅+ 豢文 弦2 5 ， ：日耳( x ) 文( f ) + 冬量( f ) 以上两式中定义了3 6 n ( x ) ：要= 鲁 ( 2 2 6 ) 则刚体b j 在惯性基p ( o 中的角速度矩阵与方向余弦矩阵之间有如下关系： 1 0 一f 3，2 l 丽f = 10 3 ，3 0 一，li = - ，彳f 【- 砌，2 订0j 可以利用上式由方向余弦矩阵4 计算角速度矢量的分量，。在一般情况下角速度 的列阵的表达式可由已知的运动学方程得到 ，= h 足( x ) 量o ) ( 2 2 7 ) 上式对时间求导数，得到加速度列阵为 咖州蝴) + 票地) ( 2 2 8 ) 以上公式中3 6 n 系数矩阵日。可由角速度矢量列阵对广义坐标的几何得到，有 大连交通人学下程硕十学位论文 日r = 譬 ( 2 2 9 ) 因此，各刚体质心的速度、加速度和各刚体的角速度、危加速度的列阵均可用笛卡 尔广义坐标示出来。 1 ) 完整约束系统 设r 个刚体组成的多刚体系统受到连接铰链产生的m 个非定常完整约束，其约束方 程可以表为 巾。( x ，t ) = 0 ， ( s = 1 ，m ) ( 2 2 1 0 ) 则6 刀个笛卡尔广义坐标不再是独立的。系统的自由度数目为k = 6 n m ，可以选择 n 个独立的广义坐标g j ( 歹= l ，n ) 描述系统的位形，将它们表为n x l 位置矢量列阵 g ( ，) = 吼，q 2 g 。】r ( 2 2 1 1 ) 所有的笛卡尔广义坐标皆可表为独立广义坐标霉和时间t 的函数 x = x ( q ，f ) ( 2 2 1 2 ) 则由式( 3 3 ) ，各刚体b 。质心位置矢径列阵和方向余弦矩阵可以表为广义坐标和 时间，的函数 ，= ，( g ，) ，a ，= a ，( g ，f ) ，( f = l ，胛) ( 2 2 1 3 ) 由式( 3 1 2 ) 可以导出系统的笛卡尔广义速度童和独立广义速度口之间的线性变换 关系： 戈：鱼口+ 拿：f q + 拿 ( 2 2 1 4 )x 2 瓦g + 瓦2+ 瓦 。乙乙 式中6 n x n 系数矩阵 ，：堕：竺( 2 2 1 5 ) ，_ = 一= 一 厶厶1 u ， a q a q 是由笛卡尔广义坐标对独立广义坐标的偏导数构成的雅可比矩阵。将速度变换式 ( 3 1 4 ) 代入式( 3 4 ) 和( 3 7 ) ，得到完整约束系统中各刚体质心速度和角速度的表 达式： ，= j n ( g ，t ) c l ( t ) + 1 ，目 ( 2 ，2 1 6 ) ，= j 崩( g ，t ) o ( t ) + 露 ( 2 2 1 7 ) 以上两式中的3 n 矩阵 j r , ( g ，f ) ：鲁：劈刀f ( 2 2 1 8 ) 1 2 第二章机下柴油机轴系动力学仿真 j r , ( g ，) = 警：日胁f 叼 是广义坐标和时间的函数， 日胁右乘6 n x n 矩阵f 得到。v 。 定常约束系统，它们均为零。 ( 2 2 1 9 ) 故称为几何雅可比矩阵，它们可以由3 x 6 刀矩阵n 和 = 鲁和。分别是v ，和，中对时间求偏导数的项，对于 将式( 3 1 6 ) 和( 3 1 7 ) 对时间求导数，得到各刚体质心加速度和角加速度列阵的 表达式 铲州顾卅鼍驰) + 鲁 ( 2 2 - 2 0 ) 击，：j r , ( g ，f ) + 警+ 警 ( 2 2 2 1 ) c 7 9 d l 对定常约束系统，式( 3 2 0 ) 和( 3 2 1 ) 中对时间f 的偏导数项均为零。 2 ) 非完整约束系统 设门个刚体组成的多刚体系统有弧个完整约束和m ，个非完整约束，可以选用形如 式( 3 2 ) 的6 丹个笛卡尔广义x 坐标确定位形。由于有完整约束，6 刀个笛卡尔广义坐标 是不独立的，可以选取形式( 3 1 1 ) 的n = 6 n 一观个独立广义坐标q ：由于有非完整约 束，n 个广义速度口也中不独立的，系统的自由度数目应等于独立广义速度的数目，即 k = 6 n m 1 一m 2 = 6 n m ，m = 聊1 + 朋2 。将m 1 个完整约束和m 2 个非完整约束表示为一般 形式： 巾。( x ，f ) = 0o = 1 , 2 ，m 1 ) 、i ，( g ，口，f ) = 0o = 1 , 2 ，m 2 ) ( 2 2 2 2 ) 选取七个独立广义速度表为如下k l 列阵 “( f ) = k lu 2 r ( 2 2 2 3 ) 则不独立的广义速度口可以表示为独立的广义g 坐标、独立的广义速度u 和时间r 的 函数 口= q ( q ，u ，) 将上式代入( 3 1 6 ) 和( 3 1 7 ) ， 角速度列阵的表达式 = v ，( g ，u ，) c o f = c o j ( g ，u ，) ( 2 2 2 4 ) 得到非完整约束系统各刚体质心速度列阵和刚体 ( 2 2 2 5 ) ( 2 2 2 6 ) 大连交通人学t 程硕十学位论文 以上两式对时间f 求导数，得n s t j 体质心加速度和角加速度列阵的表达式 口，：三n ( g ，甜，f ) 西( f ) + _ o r , 口o ) + 宅 ( 2 2 2 7 ) o q 纠 击，：k ( q , u , t ) f t ( ，) + 譬+ 譬 ( 2 2 2 8 ) o q a 以上两式中的3 k 矩阵 彬) = 鲁= 鲁晏o u “n g( 2 2 z u )d “c k z z = h n f g k ( 刚，f ) ：孚：粤：厶g ( 2 2 3 0 ) o u o q 是广义坐标、独立速度和时间的函数，故称为运动学雅可比矩阵。它们可以由矩阵 日n 和日尺，乘以6 n x n 矩阵f 和n x k 矩阵g 得到，其中 g ：堕 ( 2 2 3 1 ) 。 抛 对于定常约束系统，式( 2 2 2 5 ) 至( 2 2 2 8 ) 中对时间f 的偏导数项均为零。 上述算法原理一般以黑箱形式封装在类似于a d a m s 这样的多刚体动力学软件之中。 2 3 机车柴油机轴系动力学仿真实例 柴油机轴系运动学和动力学是分析研究机构的运动规律及其与几何参数之间的关 系，以及机构中所受作用力和它们互相间的关系。这里将针对某一型号机车柴油机，首 先利用i - d e a s 软件建立包括活塞、连杆、曲轴在内的曲柄连杆系统的三维模型，真实 的反映物理样机的特性参数，然后转换成a d a m s 机构模型，增加约束和驱动，利用a d a m s 动力学仿真软件进行运动学、动力学分析，得出机构的运动学和动力学参数，计算出在 柴油机稳定工况下活塞、连杆及曲柄的运动规律与受力状态。这不但可以作为柴油机振 动计算和平衡分析的基础，还可以为柴油机主要构件的强度计算和磨损研究、轴承负荷 分析、柴油机总体设计提供理论数据和依据。 2 3 1 单缸柴油机运动学及动力学仿真 2 4 0 2 7 5 单缸柴油机曲柄连杆机构主要由活塞组、连杆组和曲轴组等三大部件组成， 该系统的运动学和动力学仿真模型应由此创建。 1 4 耋= 兰墨耋墨鎏墨垫至翌垄耋堡塞 2311 单缸柴油机三维几何实体模型的建立 研究中在不影响仿真结果的情况下对模型进行了适当简化，建模时没有画出活塞 环、挡圈、连杆衬套、连杆轴瓦、连杆螺栓、套简等，但计算时考虑了这些零件的重量。 图22 是i d e a s 建立的模型，图2 3 是a d d s 的2 4 0 2 7 5 曲柄连杆机构模型。 图2 - 2 单缸机轴系实体模型图2 - 3单缸机曲柄连杆机构模 型 f i 9 2 - 2 c r a n k t r a i n3 - d m o d e lo nf i g2 - 3 c r a n k t r a i n m o d e lo l l s i n g l e - c y l i n d e r e n g i n e s i n g l e c y l i n d e r e n g i n e 施加在活塞上的缸内压力如图2 4 所示