（机械设计及理论专业论文）转子系统积油故障的仿真研究.pdf

r ，t _ 二、 l ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i c s e n g i n e e r i n g !|ifir lirli l f l l l li i i i l liiji iillii p i i i i y 18 4 118 5 + l t l l l s i m u l a t i o nr e s e a r c ho no i ll e a k a g ef a u l to f r o t o rs y s t e m b yc h e nx i h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh a nq i n g k a i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包括其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作 i 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。 【 学位论文作者签名：际韦纽 日 期：娜浒d g 同劢闫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即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和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 际希住 p l 两年韩锄 导师签名： 签字日期：矽诱、乡，弓d 签字日期：渺g 。弓口 - - i - - ，一 ， 东北大学硕士学位论文摘要 转子系统积油故障的仿真研究 摘要 转子系统腔体内常贮有或泄漏入液体，构成了积液转子系统。如航空发动机转子的 鼓筒段及轴的内腔，由于设计不当或工作失常，积液故障时有发生。只要有少量的内腔 积液，就会显著地影响转子系统的振动特性。 在本文中，首先利用有限元法对转子系统的动力学特性进行了分析，建立了转子系 统的刚柔混合虚拟样机模型，并通过实验验证来修正模型。在此基础上，建立具有积油 的虚拟样机模型，进行了动力学仿真，定性地分析了积油对转子系统稳定性的影响和积 油的运动情况，并进行了实验验证。取得如下成果： ( 1 ) 对某航空发动机的简化转子系统进行了建模，并用a n s y s 和m a t l a b 语言编 制程序，求解简化转子系统的前四阶固有频率和振型，为下文建立的转子系统虚拟样机 模型分析做准备。 ( 2 ) 利用s o l i d w o r k s 建立简化转子系统的三维实体模型，导入到多体动力学软 件m s c a d a m s 中，并将转轴转换为柔性体，建立简化转子系统的虚拟样机模型，进 行动力学仿真。通过实验验证，对虚拟样机模型进行了有效的修正，使转子系统虚拟样 机模型具有良好的仿真精度。 ( 3 ) 在转子系统的积油盘中，充入少量的油，形成了具有积油的转子系统。通过实 验观察具有积油的转子系统在低转速和一阶临界转速附近时，积油在积油盘腔体内的分 布情况。 ( 4 ) 根据实验观察到的积油的分布情况，对转子系统的积油进行简化，在保证流体 的质量和密度不变的情况下，设流体的流型不变。建立具有积油的转子系统虚拟样机模 型。进行了积油故障转子系统的动力学仿真，得到仿真结果。和试验台结果对比，定性 地分析了转子腔体积油对转子系统的影响和积油的运动情况，并加以实验验证。 本文以某航空发动机的简化转子系统模型为研究对象，对转子系统的积油故障进 行了仿真研究，分析了积油对转子系统稳定性的影响和积油的运动情况。通过实验验证 证明了采用多体动力学m s c a d a m s 软件对转子系统积油故障进行仿真分析的可行 性，为航空发动机的转子系统积油现象分析提供了理论参考，有着积极的现实意义和经 济价值。 关键词：转子系统；刚柔混合模型；积油；动力学仿真；m s c a d a m s i i q 广 ，i_0-r 7 i j i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s i m u l a t i o nr e s e a r c ho no i ll e a k a g ef a u l to fr o t o rs y s t e m a b s t r a c t r o t o rs y s t e mc a v i t y g e n e r a l l ys t o r e so rl e a k s l i q u i d ，r o t o rs y s t e m 丽t l ll i q u i di s c o m p o s e d f o re x a m p l ea sar e s u l to fi m p r o p e r l yd e s i g no rw o r ko u to fg e a rd r u m so ft h e a e r o e n g i n er o t o ra n dl u m e no ft h es h a f tg e n e r a l l yo c c u r sl i q u dl e a k a g e a sl o n ga sr o t o r s y s t e mc a v i t yh a sas m a l lq u a n t i t yo fl i q u i d , v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h er o t o rs y s t e mi s a f f e c t e de v i d e n t l y d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h er o t o rs y s t e mi sa n a l y z e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， v i r t u a lp r o t o t y p em o d e lw i t hl i q u i dl e a k a g ef l a u ti se s t a b l i s h e d , d y n a m i c ss i m u l a t i o ni s c a r r i e do n , a n de f f e c to fl i q u i do ns t a b i l i t yo far o t o rs y s t e m 、析ml i q u i dl e a k a g ei sa n a l y z e d , a n d e x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o ni sc a r r i e do n i tc a nb ee l a b o r a t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) m e c h a n i c sm o d e lo ft h es i m p l i f i e dr o t o rs y s t e mo fa e r o e n g i n ei se s t a b l i s h e d n a t u r a l f r e q u e n c ya n dm o d a lo ft h e r o t o rs y s t e ma r es o l v e dw i ma n s y sa n dm a t l a bs o f t w a r e ( 2 ) 3 - d m o d e lo ft h es i m p l i f i e dr o t o rs y s t e mi se s t a b l i s h e d 晰n ls o l i d w o r k ss o f t w a r e c h a n n e l i n gi ti n t ot h em s c a d a m ss o f t w a r ea n dc h a n g i n gt h es h a f ti n t oaf l e x i b l ep a r t , t h e nt h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e li se s t a b l i s h e d d y n a m i c ss i m u l a t i o ni sc a r r i e do n t h r o u g h e x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o n , t h em o d e li sr e v i s e di no r d e rt oh a v eg o o ds i m u l a t i o np r e c i s i o n ( 3 ) i tc a nb eo b s e r v e df r o me x p e r i m e n t st h a th o wt h el i q u i dd i s t r i b u t e si nt h ep l a t ew h e n t h er o t o rs y s t e mw o r k sa tt h el o ws p e e da n dt h ec r i t i c a ls p e e d ( 4 ) i nt h ec o n d i t i o no fa s s u r i n gt h eq u a l i t ya n dd e n s i t yi n v a r i a n c e ，t h el i q u i ds h a p ei s i n v a r i a b l e t h e nd y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h em o d e lw i t hl i q u i dl e a k a g ei sc a r r i e do n , e f f e c to f l i q u i do ns t a b i l i t yo ft h er o t o rs y s t e mi sa n a l y z e d ，a n de x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o ni sc a r r i e do n b a s eo nt h es i m p l i f i e dr o t o rs y s t e mo fa e r o e n g i n e ，l i q u i dl e a k a g ef a u l to fr o t o rs y s t e mi s s i m u l a t e d ，e f f e c to fl i q u i do ns t a b i l i t yo ft h er o t o rs y s t e mi sa n a l y z e d ，a n de x p e r i m e n t v e r i f i c a t i o ni sc a r r i e do n ，s i m u l a t i o no f l i q u i df a u l to fr o t o rs y s t e mw i t ht h em s c a d a m s s o f t w a r ei sf e a s i b l e p r o v i d i n gt h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rs i m u l a t i o no fo i ll e a k a g ef l a u to ft h e r o t o rs y s t e mo f a e r o e n g i n e ，t h e r ei sp o s i t i v er e a l i s t i cm e a n i n ga n de c o n o m i cv a l u e k e y w o r d s ：r o t o rs y s t e m ；r i g i d - f l e x i b l em o d e l ；l i q u i d ；d y n a m i c ss i m u l a t i o n ；m s c a d a m s i i i t 0 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 中文摘要i i a b s t r a c t 】：i 【 第l 章绪论”l 1 1 本文研究的意义l 二1 2 国内外相关研究状况”2 1 3 本文的主要内容4 第2 章虚拟样机技术和a d a m s 软件5 2 i 弓i 言“5 2 2 虚拟样机技术”5 2 2 i 虚拟样机技术的定义一5 2 2 2 虚拟样机技术的特点”5 2 2 3 虚拟样机技术的应用”6 2 3a d a m s 软件：7 2 3 1a d a m s 软件介绍7 2 3 2a d a m s 软件主要模块7 2 3 3a d a m s r 的相关科研应用8 2 4a d a m s 多体系统动力学研究概述”9 2 4 1a d a m s 多刚体系统动力学理论基础正9 - 2 4 2a d a m s 多柔体系统动力学理论基础”1 3 2 5 本章小结1 6 - 第3 章转子系统的固有动态特性分析1 7 3 1 引言1 7 3 2 转子系统的动力学模型建立2 0 3 3 转子系统的固有频率计算2 2 3 3 1 基于a n s y s 的有限元法计算固有频率2 3 3 3 2 基于m a t l a b 的有限元法计算固有频率2 4 一一 东北大学硕士学位论文 目录 3 4a n s y s 有限元法和m a t l a b 有限元法计算结果对比2 6 3 5 本章小节2 7 第4 章转子系统虚拟样机模型建立及实验验证2 9 4 1 引言2 9 4 2 转子系统的结构及性能参数_ ”2 9 4 2 1 转子系统的结构形式及工作原理”2 9 4 2 2 转子系统工作性能参数3 0 4 - 3 转子系统刚柔混合模型的建立及仿真3 l 4 3 1 s o l i d w o r k s 与a d a m s 环境中的模型建立”3 1 4 3 2 设置工作环境一31 4 3 3 添加约束一3 2 4 3 4 添加驱动”3 3 4 3 5 添加轴承支承刚度3 3 4 3 6 利用a d a m s a u t o f i c x 建立柔性体轴”3 4 4 3 7 仿真分析与仿真结果后处理3 7 4 4 转子系统的刚柔混合模型仿真的实验验证4 0 4 5 转子系统的刚柔混合模型的修正4 1 4 6d 、结：4 3 第5 章转子系统积油故障的仿真4 5 5 1 引言4 5 5 2 转子系统积油故障刚柔混合模型的建立”4 5 5 2 1 积油的简化4 5 5 2 2 转子系统积油故障模型的建立4 6 5 3 转子系统积油故障的仿真分析4 8 5 3 1 积油为3 5 号机油4 8 5 3 2 积油为4 0 5 0 号润滑油5 3 5 4 小结5 8 第6 章结论与展望”6 1 参考文献6 3 致 射6 7 一v f i j i i j i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 本文研究的意义 第1 章绪论 航空发动机大多数压气机的结构都采用鼓筒方式，压气机前后支承的封严装置在发 动机调试和试制过程中漏油现象时有发生，结果导致鼓筒腔体积油。带有腔体的转子理 论上属于刚性转子，但实际上它介于刚性与挠性之间，即在过支撑临界转速时转子要发 生弯曲。转子腔体一旦发生积油之后，在低转速时的液体分布与腔体表面是均匀的，但 随转速逼近支撑临界转速附近，随着积油量的增加和转子的挠性变形，液体在腔内分布 逐渐偏向转子的重点。特别是当转子到达支撑临界附近后，液体会在腔体内形成油团， 其油团的进动频率与转子的临界转速产生不同步进动，导致转子自激振动。自激振动的 振幅较大，其结果一方面给轴承施加较大的动载荷，另一方面也会导致转子叶片机匣产 生严重的碰摩，轻者导致转静件间隙变大，发动机性能下降，重者会损坏发动机结构， 造成灾难性故障。因此研究转子腔体积油对转子振动特性的影响以及积油导致自激振动 的边界条件是极为重要的。由于流体的旋转运动使得这类问题的分析不仅较一般的流固 耦合问题更为复杂，而且还具有许多特殊性，至今对其特性还缺乏应有的了解，是目前 转子动力学研究领域中的一个新课题。 在某型号发动机和燃机调试和运行过程中，曾多次出现过腔体积油继而振动大等现 象。另外，现代高性能发动机大多是多转子结构，其中双转子结构居多，各转子间转速 不同，且有时方向也不同，对封严装置要求严格，也经常出现转静件间或转子与转子之 间的漏油现象。因此，要求对此现象从机理和动力学模型都必须有个清醒的认识和了解， 以便在设计和研制过程中及时排除这类故障。 近年来旋转机械的发展出现一个显著的特征，就是向高转速、高精度、轻结构、长 寿命的方向发展，轻柔部件在强离心力作用下会发生强烈的弹性变形，因此不能再像低 转速时那样把许多部件简化为刚体，而必须作为弹性体处理，综合考虑刚体运动和弹性 变形以及二者的耦合，从而构成了复杂的柔性转子系统。 m n s a d a m s 全称是机械系统自动动力学分析软件，它是目前世界范围内广泛使 用的多体系统仿真分析软件，其建模仿真的精度和可靠性在现在所有的动力学分析软件 中名列前茅。机械系统动力学仿真分析是机械设计的重要内容，过去分析时建立的模型， 其构件均为刚体，在作运动分析时会发生弹性变形。而实际上，在较大载荷或加、减速 的情况下，机构受力后会有较大的变形和位移变化，产生振动。a d a m s 的分析对象主 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 要是多刚体，但a d a m s 提供了柔性体模块，运用该模块可以实现柔性体运动仿真分析， 以弹性体代换刚体，可以更真实支模拟出机构动作时的动态行为，同时还可以分析构件 的振动情况【1 1 。 1 2 国内外相关研究状况 从7 0 年代国外就有文章报道对转子腔体积油引起转子振动自激振动的特性进行研 究。s c h m i t d 2 1 和k b l l m a n n 【3 】考虑局部积油的冷却燃气轮机转子动力学特性问题进行过 研究，主要是应用集总元素( 即由带积油腔体的盘安装在柔性轴上) 解析模型进行分析。 分析发现积油运动的自由面在旋转过程中对称于轴线，轴在临界转速上产生同步进动， 证明当有足够的油覆盖内腔时，其转子临界转速值会有所降低，可由表达式k m 明 显看出，式中k 是轴的弹性恢复系数，m 是转子质量和液体质量之和。k o l l m a n n 3 j 通过 试验证明了该结果的正确性，并在其研究中发现在高于临晃转速的转速的较宽范围内存 在转子振动不稳定性。尽管该不稳定区域可以通过某种液态波来修正( 并未证实) ，但仍 是不希望存在的。 在实际的工程应用中，离心分离机的转子系统是最典型的部分充液转子系统结构之 一。关于部分充液转子系统的自激失稳问题，k s t e w a r t o n 4 j 较早地从理论上建立了液 体动力学和转子动力学相互耦联的系统振动方程，并试图解释系统失稳的机理。此后， f g k o l l m a n n1 3 】在j e f f c o t t 转子模型上实验验证了部分充液转子系统自激失稳区的存在， 并且发现充液转子系统的临界转速与所充液体的多少无关，而只取决于转鼓名义容量的 大小。在此基础上，j a j j r w o l f 5 j 给出了简单而又明了的理论分析和实验结果。进一步 从事这方面研究的学者还有g l i c h t e n b e r g t 引、s l h e n d r i c k s 和j b m o r t o n 7j 等人。 文献【2 ，3 】认为是流体自由面的波动引起动力失稳，因为没有理论分析，故只是一种 猜测而已。w o l f 9 l 和h e n d r i c k s i s , l o 】展刀：了理论分析。w o l 肥不能实现平行涡动的条件当 作失稳判据，这在数学上是不严格的。h e n d r i c k s 和l i c h t e n b e r g 【1 1 】改进了w b l f 的工作，计 入了粘性和转子角位移，把问题推广到三维。文献【1 2 】描述了试验中部分充液转子系统 在失稳过程中的动力特性，注意了转子在不稳定区的涡动频率和方向，流体表面的状态 与转子失稳之间的关系，研究了充液量对转子的涡动频率和不稳定区的影响。报道了部 分充液转子系统在失稳过程中的一些重要现象，为深入研究部分充液转子系统失稳机理 提供了实验依据。文献【1 3 】从实验上详细地观察和分析了部分充液柔性转子系统不稳定 出现的过程、失稳过程中转子系统的动力特性以及充液量对转子系统的振动和稳定性的 一2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 影响。 一黔 。 许多学者从事了部分充液转子的不稳定现象这一方面的研究工作，但转子系统基木 上采用刚度各向同性的模型。只有b r o m m u n d t 和o s t e r m e v e r l l 4 】及h o l m 和t r a g e r 【1 5 】分别 研究了支承刚度非对称柔性悬臂转子及刚性转子系统的稳定性问题。结果发现由于支承 冈度的非对称使原来支承刚度对称的部分充液转子的一个不稳定区分裂为多个独立的 不稳定区。但是他们并没有说明在什么条件下会出现多个独立的不稳定区。文献【1 6 】研 究了支承刚度各向异性部分充液转子系统的稳定性问题，系统地分析了转子系统的各参 数对其稳定性的影响。结果发现转子的支承刚度非对称并非一定导致出现两个相独立的 不稳定区，只有在系统参数的一定组合情况下，两个独立的不稳定区才会出现。 部分充液转子的不稳定现象自从k o l l m 锄【3 1 ，在实验中观察到之后，己有一些学者 从事了这一工作。所采用的模型主要为粘性流体模型和无粘流体模型。粘性流体模型主 要局限在二维范围内【1 4 1 。w o l f1 9 】最旱提出了二维无粘模型，此后h e n d r i c k s l l 0 1 ，张文等1 1 7 l 发展了这种模型，并给出了部分充液转子系统失稳的判据。l i c h t e n b e r g l l l 】提出了旋转流 体的二维模型，但是在实际计算时忽略了流体层在腔高度方向上的变化。刘杰等1 1 8 j 用二 维无粘流体模型研究了悬臂离心转子系统的稳定性问题。但是在这些二维无粘流体模型 的文章中并未给出旋转流体对转子作用力的表达式，所以使用极为不便。 ， 国外很多大型软件设计公司都开发了非常先进的动态仿真分析软件，以虚拟样机 技术取代物理样机技术，提高产品分析开发效率。例如，美国机械动力学公司( m d i 公 司) 的a d a m s 机械系统动力学分析软件；c a d s i 的d a d s 动力学分析和设计系统软件， 德国航天局的si m p a c k 等，其中美国机械动力学公司( m d i ) 的a d a m s 软件占据了市 场的5 0 以上。由于机械系统仿真分析提供的分析技术能够满足真实系统并行工程设计 要求，通过建立机械系统的模拟样机，使得在物理样机建造前便可分析出它们的工作性 能。 在国内，北京吉普汽车有限公司利用m s n a d a m s 软件对尚未完成试制工作的新 车b j 2 0 2 2 进行了动力学仿真，预测它的性能，论证系统所选结构是否合理。在开发的 b j 2 0 2 2 虚拟样机中综合考虑了前悬架、后悬架、转向杆系、横向稳定杆、橡胶衬套、 轮胎、传动系和制动系，虚拟样机包括6 4 个物体。仿真研究了b j 2 0 2 2 在稳态转向、单 移线、双移线( 闭环) 、直线制动和转弯制动等多种工况下的动力学特性。实验表明仿真 结果具有较高的精度，可以作为整车性能量化评价的依据。利用虚拟仿真大大缩小了设 计周期和设计费用，取得了骄人的成绩。沈阳交通工程局的孙观福运用结构的柔性多体 模式来研究起重机的驱动系统的柔性变形，结构的刚体运动学和动力学特性【1 9 】。但是， 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 这种方法不够直观，通用性不强，特别是对数学模型进行修正则必须重新推导和计算。 利用虚拟样机技术，我们不仅可以很方便、快速地建立模型，处理各种约束类型， 而且还可以得到人们所关心的任何信息，如约束反力、临界速度、各物体的位移、速度 和加速度等。工程师可以像在真实世界里一样，从各种角度、以多种方式进行产品设计、 开发以及专门的技术研究，然后利用虚拟样机技术的可视化技术，逼真地演示机器各机 构的运动过程和各部件的运动关系。 1 3 本文的主要内容 本文以某型号航空发动机的简化转子系统为对象，采用m s c a d a m s 软件平台， 建立了该转子系统试验台的数字样机模型，对其动力学特性及积油现象进行了仿真研 究，共包括以下几个方面： ( 1 ) 对某航空发动机的简化转子系统进行了建模，并用a n s y s 语言编制程序，求解 简化转子系统的前四阶固有频率和振型。通过m a t l a b 有限元法计算验证了a n s y s 有限元法计算结果的准确性。 ( 2 ) 利用s o l i d w o r k s 建立简化转子系统的三维实体模型，导入到多体动力学软 件m s n a d a m s 中，建立简化转子系统的虚拟样机模型，进行动力学仿真，加以实验 验证，并修正所建模型。 ( 3 ) 通过实验观察具有积液的转子系统在低转速和一阶临界转速附近时，积液在积 液盘腔体内的分布情况。m s n a d a m s 软件不能建立液体，故将积液在保证质量和密 度不变的前提下近似等效为相似形状的固体。对具有积液的转子系统虚拟样机模型，进 行了动力学仿真，分析了积液对转子系统稳定性的影响，并加以实验验证。 一4 一 东北大学硕士学位论文第2 章虚拟样机技术和a d a m s 软件 第二章虚拟样机技术和a d a m s 软件 2 1 引言 通常，在对新产品进行研发时，有制造“原型机即物理样机的环节，它具有和真 实产品一样的构成和功能，通过对原型机的测试，可以了解该系统的整体性能，了解系 统各个部件之间的协调性。基于计算机计算分析的设计平台，针对上述的物理样机概念， 虚拟样机的概念和技术被提出和发展起来。虚拟样机就是构造一个数字化的样机模型来 部分代替甚至完全取代物理样机，使我们在物理样机出来之前可以对我们要建造的系统 的性能有一个了解，可以对整个系统进行系统级的优化，节省系统开发的时间和成本。 作为2 1 世纪新的先进设计制造方法一虚拟样机技术正成为各国纷纷研究的新的热点 【2 0 】 o 2 2 虚拟样机技术 2 2 1 虚拟样机技术的定义 产 目前对于虚拟样机的概念还没有一种通用精确的定义，针对不同的研究领域，有不 同的定义方法。建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿 真办公室的定义，将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系 统模型进行的基于计算机的仿真，而虚拟样机技术则是使用虚拟样机来代替物理样机， 对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。美国国防部委员会将虚 拟样机定义为一个系统，该系统在仿真进行过程中可以和其它虚拟环境间进行交互。 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉合在 一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行 仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术1 2 1 l 。 2 2 2 虚拟样机技术的特点 虚拟样机技术将传统的经验设计方法改为预测方法，具有无法比拟的优点【1 9 垅j ： ( 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，这种方法存 在很多弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程 ( c o n c u r r e n te n 沓n e e r i n g ) 的思想，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种 一5 一 程师们针对这个问题进行了修改，成功地实现了探测器的软着陆。在船舶制造领域，美 国a m e ( a d v a n c e dm a r i n ee n t e r p r i s e s ) 的工程师利用虚拟样机技术研究轮船装料台的工 作过程，快速分析了几百种装料台在不同工作情况下的性能，并最终确定了最优方案。 在机械制造领域，p e l l e r i nm i l n o rc o r p o r a t i o n 公司的工程师在研制洗衣机新机型过程中， 建立了三种不同的洗衣机虚拟样机，然后改变弹簧的刚度和阻尼，变换衬套的尺寸和刚 度，进行仿真研究。在此基础上，设计人员开发出来的洗衣机工作平稳，寿命长，振动 小。在汽车制造方面，一家卡车制造公司在研制新型柴油机时，发现点火控制系统的链 条在转速达到6 0 0 0 r m i n 时，运动失稳并发生振动。常规的测量技术在这样的高温高速 的环境下失灵，工程师们借助于虚拟模型技术，根据对虚拟模型的动力学及控制系统的 分析结果，发现了不稳定因素，改进了控制系统，使系统的稳定范围达到1 0 0 0 0 r m i n 转以上。 一6 一 东北大学硕士学位论文第2 章虚拟样机技术和a d a m s 软件 2 3a d a m s 软件 。 2 3 1a d a m s 软件介绍 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件，是由美国机械动 力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是世界上最 具权威性的、使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用a d a m s 软件，可以 自动生成包括机一电一液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模 型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方案修改、优化、试验 规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开 发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。国外的一些著名大学也已开设 了介绍a d a m s 软件的课程，而将三维c a d 软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机 械专业学生必须了解的工具软件。根据1 9 9 9 年机械系统动态仿真分析软件国际市场份 额的统计资料，a d a m s 软件占据了销售总额近8 0 0 0 万美元的5 1 份额【狮4 1 1 。 a d a m s 一方面是虚拟样机分析应用软件，用户可以非常方便地运用该软件对虚拟 样机机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样机分析开发工 具，其开放性程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析 的二次开发工具平台。在产品开发过程中，工程师通过应用a d a m s 软件会收到明显效 果，分析时间由数月减少为数日；降低工程制造和测试费用；在产品制造出之前，就可 以发现并更正设计错误，完善设计方案；在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量； 当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析和仿真；缩短 产品的开发周期。 2 3 2a d a m s 软件主要模块 a d a m s 软件包括3 个最基本的解题程序模块：a d a m s v i e w ( 基本环境) 、 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理) 。另外还有一些特殊场合应用 的附加程序模块，例如：a d a m s c a r ( 轿车模块) 、a d a m s r a i l ( 机车模块) 、 a d a m s d r i v e r ( 驾驶员模块) 、a d a m s t i r e ( 轮胎模块) 、a d a m s l i n e a r ( 线性模块) 、 a d a m s f l e x ( 柔性模块) 、a d a m s c o n t r o l s ( 控制模块) 、a d a m s f e a ( 有限元模块) 、 a d a m s h y d r a u l i c s ( 液压模块) 、a d a m s e x c h a n g e ( 接口模块) 、m e c h a n i s m p r o ( 与 p r o e n g i n e e r 的接口模块) 、a d a m s a n i m a t i o n ( 高速动画模块) 等。 a d a m s v i e w 提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前 7 一 东北大学硕士学位论文第2 章虚拟样机技术和a d a m s 软件 处理功能，其中包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入与编辑、与求解 器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同 其他应用程序的接口等。 a d a m s s o l v e r 是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机分析的准备工 作以后，a d a m s m e w 程序可以自动地调用a d a m s s o l v e r 模块，求解样机模型的静 力学、运动学或动力学问题，完成仿真分析以后再自动地返回a d a m s 肌e w 操作界面。 a d a m s 仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块a d a m s p o s t p r o c 圮s s o r 来完成。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果， 也可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结果曲线以外，a d a m s p o s t p r o c e s s o r 还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算；可以输入实验数据绘制试验曲线，并 同仿真结果进行比较；可以进行分析结果曲线图的各种编辑即j 。 2 3 3a d a m s 的相关科研应用 随着q m q 墟技术的逐渐成熟以及a d a m s 软件被广大机械设计人员的逐步认 可，国内外很多行业针对虚拟样机技术及a d a m s 的应用日益广泛和深入起来。特别是 在汽车、机器人、飞机制造、铁路运输等技术含量较高的设计领域内，虚拟样机技术和 a d a m s 分析软件体现了其优良的应用价值。 利用a d a m s c a r 模块可以快速地动态仿真出汽车以不同速度安全通过确定路段的 速度范围；准确地对车辆操纵性能进行仿真并对其性能做出预测和评估：对自卸车举升 机构虚拟样机模型进行动力学仿真、参数化处理，完成对机构的运动干涉分析、受力分 析和位置布置的优化；建立“虚拟汽车”和“虚拟试验场”，对关键零部件使用 a d a m s s o l v e r 模块求解其在动态载荷作用下的强度特性，确定输入有限元分析软件的 载荷边界条件；建立由一节牵引车和五节双轴转向拖车组成的汽车列车系统1 3 个自由 度的动力学摸型，采用模型参数化分析方法，对列车进行优化设计，建立悬架系统计算 机仿真分析模型，仿真分析悬架运动学弹性运动学特性，预测悬架对汽车行驶性能( 操 纵稳定性、行驶平顺性等) 的影响；利用a d a m s 的运动学与动力学分析功能实现喷浆 机器人的三维实体动画仿真；通过模态中性文件将a d a m s 及a n s y s 结合，建立了柔 性机器人动力学仿真系统进行动态仿真分析：利用a d a m s 软件建立振动压路机整机模 型，对振动压路机的各种工况进行仿真分析，得出振动压路机在不同参数条件下的动态 响应，并研究出连续压实控制条件下振动压路机工作频率和工作振幅随材料刚度的变化 关系：应用a d a m s 软件仿真研究含柔性构件和运动副间隙的机构在摩擦、材料阻尼、 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章虚拟样机技术和a d a m s 软件 重力及外载荷力等多种工况下的动力学特性。 2 4a d a m s 多体系统动力学基础理论 虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学，它是由多刚体系统动力学与多柔体系 统动力学组成的。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体 之间以某种形式的约束连接。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔性体组成 的系统。根据多柔体系统组成的特点，一般以多刚体系统动力学为基础，对系统中柔性 体进行不同的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和 有限单元法等【4 2 4 3 l 。 在应用多体系统动力学理论解决实际问题时，一般有以下三个步骤：( 1 ) 对实际系 统的多体模型进行适当简化；( 2 ) 根据模型形成系统的动力学方程；( 3 ) 求解动力学方程。 由于模型是整个仿真工作的基础，所以对有关模型的建立着重进行讨论。 多体系统中物体间的相互作用被定义为力元，在实际工程系统中，零部件间的相互 联系是通过运动副或是通过力的相互作用来实现的【4 5 删。 2 4 1a d a m s 多刚体系统动力学理论基础 a d a m s 将多刚体系统分成4 个组成部分：部件、作用力、约束、自定义的代数一 微分方程，定义如下i 删： ( 1 ) 部件。部件是指任何刚体或集中质量或柔性体( 不包括梁和衬套) 等，在a d a m s 中刚性梁是一个部件而柔性梁是集中质量的集合，a d a m s 为每一个部件列出6 个一阶 动力学方程( 将力和加速度相联系) 和6 个一阶运动学方程( 将位置和速度相联系) 。 ( 2 ) 作用力。作用力包括两类：体积力，包括重力、电磁力等；接触力，包括体积 力以外的各种外力。a d a m s 利用已定义的部件和约束自动定义作用力和反作用力以及 惯性力等。对每个作用力分量a d a m s 在动力学方程中每加入一作用变量，则系统会添 加一定义力的代数方程。 a d a m s 提供许多力的特性，包括：力、转矩、作用力一反作用力、集中力、分布 力、线性力、非线性力等，这些力可以是任何状态变量的函数。 ( 3 ) 约束。约束指在系统中对一个或多个部件的运动作出限制。a d a m s 为每个约束 列出一个或多个代数约束方程。a d a m s 提供了多种约束，包括时变约束、时不变约束、 完整约束、非完整约束以及高副约束、低副约束，用户亦可通过子程序来定