（轮机工程专业论文）船舶柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究.pdf

中文摘要 摘要 本文通过运用a n s y s 有限元法与a v l e x c i t e 多体动力学仿真相结合的方法，对 船舶柴油机曲轴轴系进行动力学分析仿真。建立合理的柴油机曲轴轴系有限元模型和多 体动力学模型，完成船舶柴油机曲轴轴系在一个工作周期内的仿真，得到主轴承和曲轴 在实际工作周期内所表现出的动力响应特性，然后对仿真结果进行分析，最后运用有限 元分析软件对曲轴进行瞬态动力学分析。 首先根据船舶柴油机轴系的结构特点来决定曲轴轴系模型的简化程度，并依据多体 动力学模型的需要先建立了轴系缩减有限元模型，在此基础上建立了轴系多体动力学分 析模型。接着通过e x c i t e 多体动力学仿真，进行了柴油机额定转速下的正常工况下包 括曲柄销受力、曲轴位移量、转速波动等参数的多体动力学分析，得到曲轴在实际工作 周期内所表现出的动力响应特性，进一步验证多体动力学模型的正确性。同时进行主轴 承载荷分析，得到最小油膜厚度、最大油膜压力、主轴承轴心轨迹等，对主轴承工作状 况下的润滑特性进行分析。最后建立曲轴的精细模型对曲轴进行应力分析。 本文所采用的非线性多体动力学与三维实体有限元法避开了传统分析中对于曲轴 轴系动态加载条件处理的复杂过程，大幅度的提升了对于船舶柴油机轴系在动载荷作用 下各个零部件动态响应分析的精度，同时也为船舶柴油机曲轴的创新设计，改型设计及 优化设计提供了强有力的技术支持。 关键词：船舶柴油机；多体动力学分析；有限元法；润滑特性 英文摘要 m u l t i - b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o no fc r a n k s h a f ts y s t e mo nm a r i n e d i e s e le n g i n e a b s t r a c t am e t h o dt h a tc o m b i n e da n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t ha v l - e x c i t em u l t i - b o d y d y n a m i cs i m u l a t i o ni sa p p l i e dt oc a r r yo nd y n a m i c sa n a l y s i ss i m u l a t i o no nt h em a r i n ed i e s e l e n g i n ec r a n k s h a f ts y s t e mi nt h i sa r t i c l e e s t a b l i s h e sr e a s o n a b l ed i e s e le n g i n ec r a n k s h a f t s y s t e md y n a m i c sm o d e l ，c o m p l e t e st h es i m u l a t i o ni na na c t i o nc y c l e ，a n do b t a i n st h ep o w e r r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c w h i c hd i s p l a y si no n eo p e r a t i o nc y c l e t h e ni tc a r r i e so nt h e l u b r i c a t i o na n a l y s i so fm a i nb e a r i n ga n dt h et r a n s i e n td y n a m i c sa n a l y s i so nc r a n k s h a f tu s i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e f i r s t ，i nv i e wo ft h ec o n c r e t ep r o d u c t u n i q u ef e a t u r e sa sw e l la st h ef o l l o w i n gf u n c t i o n a l a n a l y s i sc h a r a c t e r i s t i cs i m p l i f yt h ec r a n k s h a f ts y s t e m t h e ns h a f t i n gc o n d e n s e dm o d e l su s e d f o rt h ef o l l o w i n gm u l t i - b o d yd y n a m i c sm o d e la r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h em u l t i b o d yd y n a m i c s m o d e li sa l s oc r e a t e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fa v l e x c i t em u l t i - b o d yd y n a m i c ss i m u l a t i o n ， t h em u l t i - b o d yd y n a m i c sa n a l y s i so ft h ed i e s e le n g i n es h a f t i n g ，w h i c hc o n s i s t so fc r a n kf o r c e ， s h a f t i n gd i s p l a c e m e n t ，s p e e dm o t i o na n ds oo n ，i si m p l e m e n t e d o b t a i n i n gt h ep o w e r r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hd i s p l a y si no n eo p e r a t i o nc y c l ep r o v e st h em u l t i - b o d yd y n a m i c s m o d e lr e a s o n a b l ef u r t h e r s i m u l t a n e o u s l yc a r r i e so nt h eb e a r i n gl o a da n a l y s i s ，a n do b t a i n st h e m i n i m u mo i lf i l mt h i c k n e s s ，t h ep e a ko i lf i l mp r e s s u r e ，o r b i t a lp a t ho fm a i nb e a r i n g sa n ds o o n t h el u b r i c a t i o nc o n d i t i o no fm a i nb e a r i n g si sa n a l y z e d l 够t i tc a r r i e so nt h et r a n s i e n t a n a l y s i so ft h ec r a n k s h a f t t h en o n l i n e a rm u l t i - b o d yd y n a m i c sa n d3 df i n i t ee l e m e n tm e t h o du s e dt ob y p a s st h e t r a d i t i o n a la n a l y s i so fd y n a m i cl o a d i n gc o n d i t i o n sf o rt h ed e a lw i t ht h ec o m p l e x i t yo ft h e p r o c e s s ，s u b s t a n t i a l l yi n c r e a s i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fp r e c i s i o np a r t su n d e rt h e d y n a m i cl o a d t h em e t h o dh a sp r o v i d e dt h ep o w e r f u lt e c h n i c a lg u a r a n t e ef o rt h ei n n o v a t i o n d e s i g n ，t h em o d i f i c a t i o nd e s i g na n dt h eo p t i m i z e dd e s i g no fm a r i n ed i e s e lc r a n k s h a f t k e yw o r d s ：m a r i n e d i e s e le n g i n e ；m u l t i - b o d yd y n a m i c sa n a l y s i s ：f e m ；l u b r i c a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写 成博硕士学位论文= = 墅照苤迪扭酋麴麴丕垒签麴左堂笾真盟究：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的 成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：盈噬赳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文 的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究 所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后 遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密副( 请在以上方框内打“” ) 论文作者签名：寸盼导师签名：私和h 日期：年月日 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 柴油机由于在各种动力机械中热效率最高，功率范围宽广，起动迅速，维修 方便，运行安全，使用寿命长，因而得到了广泛使用，特别是在运输船舶上，柴 油机作为主机和副机更是占有统治地位【l 】。随着柴油机技术的不断发展，柴油机 性能指标得到不同程度的提高，机械负荷也在不断增加。曲轴是柴油机主要零部 件之一，其制造周期长，加工工艺复杂，造价高，同时也是柴油机中受力最复杂 的部件。由于气体力及活塞连杆的往复惯性力作用于曲轴的扭矩始终是周期性变 化的，因此对曲轴刚度和强度提出了很高的要求，是柴油机设计的难点之一。曲 轴的结构参数在很大程度上不仅影响着发动机的整体尺寸和质量，而且也影响着 发动机的可靠性和寿命。为此要尽量精确地计算曲轴的强度，不仅要对曲轴进行 静态的应力计算，还有必要进行动态特性分析。曲轴系统动力学分析一直是曲轴 系统设计与研究的重要内容，包括曲轴系统振动、强度、疲劳以及润滑特性等。 随着柴油机的发展和强化，使得曲轴的工作条件愈来愈苛刻，曲轴的强度设 计是发动机设计中的一个关键步骤。如何准确地得到曲轴最大应力分布、固有频 率及振型，对其结构的改进设计具有重要的理论意义【2 矧。此外，船舶在航行中 可能会出现较大的异常应力，而且由于船体变形等原因，容易产生弯曲附加应力。 严重的扭转振动对船舶柴油机危害很大，能影响曲轴的扭转应力，导致曲轴疲劳 断裂嘲；曲轴的断裂事故具有潜伏性、突发性，人工极难判别，事故一旦发生具 有毁灭性的破坏。这不仅仅是经济上的损失，更重要的是给船舶的安全营运带来 巨大的潜在危险。 柴油机主轴承是柴油机的关键零部件，曲轴及主轴承是的主要摩擦副之一， 轴承上承受的载荷，无论方向和大小都随工作循环作周期性变化。在这种循环交 变载荷的作用下，主轴承的工作时的润滑状态直接关系到船舶柴油机输出功率的 大小。由于柴油机在长期运转以及过载运行的情况下工作，柴油机的平均有效压 力较高，各个摩擦副原有的润滑条件随着柴油机的长期运转，将由量的变化发展 到质的变化，从而主轴承承受的载荷较大。导致柴油机使用过程中发生故障或失 效事故的最常见的原因之一就是柴油机曲轴和轴瓦的磨损，其中，诸如杂质污染、 第1 章绪论 过载、润滑不良等，使用方面的问题也是导致局部磨损的重要因素，但是曲轴和 轴瓦的设计与制造的质量，则是决定其磨损寿命和系统运行稳定性的关键因素 【7 1 。轴承的磨损严重影响船舶柴油机整机的工作性能。因此，根据各主轴承在额 定转速下的轴承载荷曲线、最小油膜厚度图、轴心轨迹图及油膜压力图，可对整 个轴系的润滑情况、主轴承的工作状况进行分析。而且也可以对轴系是否存在异 常的工作情况作出判断【9 1 。近年来，随着柴油机性能要求的日益提高，其设计追 求的目标也日益严格，这就要求提高柴油机的工作可靠性和寿命，尽可能地提高 输出功率，降低燃油消耗率，降低摩擦损耗等。对应于曲轴轴承来说，就要求其 承受更高载荷、减小尺寸、在更薄的油膜下工作等，所有这些将使曲轴轴承工作 处于更加苛刻的状态。因此，对柴油机主轴承的润滑性能进行研究、精确地预测 轴承性能，确定影响其工作性能的各种因素，对延长柴油机整机寿命，改善的动 力性和经济性、都具有十分重大的意义【8 1 。 随着科技的进步和使用要求的不断提高，设计方法和设计手段也不断改善， 以经验、试凑、静态、定性为典型特征的传统设计方法，已远不能满足对其性能 的设计要求，取而代之的是以计算机为基本工具，以数值仿真分析为主要手段的 现代设计理论和方法的广泛应用【1 0 】。因此本文结合了多体动力学和有限元等方 法，对船舶柴油机曲轴轴系进行了强度及润滑性能的仿真研究。 1 2 国内外发展状况 目前船舶柴油机曲轴强度研究的方法主要是数值分析仿真研究和试验研究 1 1 1 - 1 7 ，在柴油机设计阶段只能采取仿真研究，另外，仿真研究还具有周期短成 本低的优点，因而被广泛使用于一些柴油机生产厂家。6 0 年代以前很长一段时 间内，人们主要用实验手段来研究曲轴的强度。而在曲轴应力计算中最早采用的 是传统的计算方法即连续梁法和简支梁法【1 8 2 4 】。由于这两种模型都对曲轴的实 际结构做了很大程度的简化，既无法考虑曲轴中各个单拐受力的相互影响，也未 计入支承的弹性，因此计算精度不高，根本不能满足设计需要。有限元理论的发 展，为全面而精确地计算曲轴应力创造了条件。 在6 0 7 0 年代由于计算机的普及应用和有限元法的出现，有限元计算被应 用到曲轴的强度计算中。到8 0 年代中期，随着计算机技术的迅速发展，各种有 限元软件如a n s y s 、m s c p a t r a n n a s t r a n 、m s c m a r c 、h y p e r w o r k s 、f e m l a b 、 2 船舶柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究 i - d e a s 、l s d y n a 、a d i n a 、a b a q u s 等的相继出现。曲轴强度的有限元分 析进一步发展，出现了曲轴三维有限元分析的方法【2 4 】。与传统方法相比，采用 有限元法计算曲轴应力，不但更贴近曲轴实际情况，而且计算精度高，但是计算 时作用载荷都是按静应力考虑的。也就是说，当评价曲轴强度时，所用的某部位 的最小应力和最大应力只不过是从大量的曲轴准动态计算中挑选出来的，计算也 都集中在静强度上，并没有考虑曲轴的动力响应因素。 近几年来，多体动力学( m u l t ib o d yd y n a m i c s ) 不断受到人们的重视。其快速 发展的主要推动力是军械、机器人、传统的机械、车辆、航空以及航天工业的高 速化和现代化。特别是近几年来伴随计算机技术的迅猛发展，许多多体动力学仿 真软件也迅速发展起来，如a v l e x c i t e 、r e c u r d y n 、a l t a i rm o t i o n v i e w 、 v i r t u a l l a b 、s i m p a c k 、m s c a d a m s 等。许多学者将有限元( f e m ) 技术与 多体动力学( m b d ) 仿真相结合计算整体曲轴的应力【3 5 q 7 】。如徐卫国等人将m b d 仿真结果直接施加到有限元模型的相应位置上，然后对有限元模型进行计算，由 于在m b d 仿真中能得到柴油机在某转速下一个周期作用力的变化，因此通过有 限元计算能得到曲轴在某转速下的应力变化。此外它对滑动轴承液体动力的处理 采用三维弹性流体动力学( 3 d e h d ) 方法，包括主轴承的耦合效应，以及局 部结构变形对油膜压力产生的不良影响，使结果更接近实际。采用多体动力学与 有限元相结合的方法更接近曲轴实际受力情况，使曲轴设计更接近材料的力学性 能极限，在保证曲轴可靠性的同时也兼顾经济性。 可以预见，今后曲轴轴系动态强度研究将会体现在多体系统动力学方法上， 进一步提高滑动轴承支撑模型与实际工况的接近程度，进一步考虑温度对润滑及 滑油种类、各种冲击等因素对滑动轴承润滑状况及曲轴薄弱部位的影响【3 引。 1 3 本文内容、方法及意义 为了获得曲轴在发动机整个工作循环内的力边界条件和位移边界条件，本文 采用多体动力学软件e x c i t e ，其动力学结果考虑了弹性体的变形，零件间隙冲 击带来的高频载荷分量等，全面、准确地获得曲轴工作时的动态载荷，更加精确 的分析了曲轴轴系的扭振以及润滑情况。并根据仿真得到的边界条件，利用有限 元软件对曲轴进行动态应力，应变分析。模型只做了一些细节的简化，完全符合 实际。曲轴动力学仿真分析，其计算工况覆盖该机型的工作转速范围，得出的动 力学行为例如局部弯曲响应较为精确且没有遗漏。应力分析建立在曲轴运行过程 3 第1 章绪论 中动态变化边界条件的基础上，完全不同于传统单缸单拐曲轴系统，改变了简化 加载边界条件的单纯有限元分析方法。 本课题是以结合有限元与多体动力学联合仿真的船舶柴油机曲轴轴系为例， 对其进行特定工况下强度分析，及轴系主轴承润滑状况分析，主要内容包含以下 几个方面： ( 1 ) a v l o e x c i t e 中多体动力学模型的构、p r o e 中3 维实体模型的构建、 a n s y s 中有限元模型的构建，以及它们之间数据传递的实现； ( 2 ) 在a v l - e x c i t e 中进行多体动力学仿真计算，得到曲轴边界条件及有 关动力学结果； ( 3 ) 利用动力学结果分析主轴承的润滑状况； ( 4 ) 对曲轴精细模型进行应力恢复，并将得到的边界条件导入到a n s y s 中， 进行动应力计算；进行曲轴轴系动力学分析和曲轴疲劳强度分析。 本课题具体步骤：参考本船舶柴油机曲轴、轴承等零部件的实际参数，结合 课题需要在a n s y s 软件中作适当简化建模，建立主自由度节点，连接刚性层， 对模型进行结构缩减大幅度降低模型自由度。之后将缩减得到的结果文件导入多 体动力学分析软件a v l e x c i t e 中，建立多体动力学模型，进行轴系动力学计 算，计算结果通过a v l i m p r e s s 或i m p r e s sc h a r t 进行后处理。在上述动力学模 型基础上进行真实轴承仿真计算，分析轴系主轴承润滑情况。在p r o e 中建立曲 轴精细模型，导入a n s y s 划分网格建立有限元模型。将动力学计算得到曲轴边 界条件导入a n s y s 进行模型恢复，利用a n s y s 进行瞬态动应力计算和强度分 析。图1 1 为论文大体思路流程图。 4 船舶柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究 图1 1 论文流程图 f i g 1 1f l o wc h a r to f t h ep a p e r 本文的意义在于，采用子结构有限元模型，建立曲轴轴系多体动力学数值分 析模型。完成了柴油机曲轴轴系动力学的模拟计算，根据计算结果分析了曲轴强 度，轴承载荷、润滑情况。通过建立完整的曲轴轴系模型，考虑到各个相邻曲拐 间的相互作用以及曲轴细微结构应力集中状况，更全面、准确地获得曲轴工作时 的动态载荷，其计算结果也更加精确。并根据多体动力学模型中得到的曲轴在实 际工作周期内的动态边界条件，运用有限元分析软件对曲轴进行瞬态应力分析， 得到一个周期内曲轴的动力学响应，演示其运行过程中所表现出的力学特性，由 此可以清楚地了解曲轴工作过程中各部分的应力，迅速找到危险部位，为曲轴轴 系的优化设计奠定基础，同时为在微机上精确地分析曲轴的动态响应，进行曲轴 的创新设计，改型设计及提供了强有力的技术支持。 5 第2 章理论基础 2 1 a n s y s 有限元理论 第2 章理论基础 有限元方法是伴随着计算机软硬件技术的发展而迅速发展起来的一种现代 设计计算方法，如今越来越广泛地应用在机车设计工程领域。由于其具有较高的 计算精度、广阔的解算能力、简单的应用方法和低廉的设计成本而深受工程界的 欢迎，是c a e 的重要组成部分，也是最有效的强度计算方法。柴油机零部件的设 计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术的应用提高了柴油机零部件设 计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了柴油机工业的发展。有限元法具有成 本低、直观、可预见性强等优点，在方案设计时，有很大的优越性，因此采用有 限元技术对柴油机零部件进行计算越来越有必要。工程实际中很多问题归根结底 都是在体域或面域中求解常( 偏) 微分方程的边值问题。微分方程的求解通常 比较困难，而通过变分法将求解边值问题转化为求解相应等价泛函的极值问题， 则变得相对容易。有限元法就是求解泛函极值问题的一种有效方、法【3 9 1 。在计算 机上用有限元软件模拟船舶柴油机曲轴轴系应力场与变形，对改进轴系设计、提 高柴油机的性能与可靠性具有重要的意义。 伴随着计算机科学和技术的快速发展，有限元法现己成为计算机辅助设计和 计算机辅助制造的重要组成。有限元法既包括数学理论，又包括程序设计技巧。 它能对工程实际中几何形状不规则、载货和支承情况复杂的各种结构进行变形计 算、应力分析和动态特性分析，这是经典的弹性力学方法所不及的。有限元法的 基本思想是：把一个连续的弹性体化分成有限多个彼此只在有限个节点处相互连 接的、有限大小的单元组合体来研究。也就是用一个离散结构来代替原来的结构， 作为真实结构的近似力学模型。以后所有的分析计算就在这个离散的结构上进 行。有限元法基本步骤简单介绍如下。首先，它运用离散的方法，把连续体分割 成有限个有限大小的体或面( 单元) ，这些单元由它们的顶点( 节点) 彼此连接 形成一个整体。其次，建立各单元刚度矩阵。再次，根据单元刚度矩阵组建总刚 度矩阵加入载荷建立方程组。最后，求解方程组即可得到广义位移，根据广义位 移进一步求得其它参数。 6 船舶柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究 目前，国际、国内各种结构分析有限元软件都以商品的形式不断推出，并逐 渐系统化为大规模有限元分析程序。a n s y s 是一个通用的有限元计算程序，是 2 0 世纪7 0 年代由美国a n s y s 公司开发的一套功能强大的有限元通用分析程序， 目前广泛应用于航空、航天、气车、船舶、土木、电子、机械等科学应用领域。 a n s y s 把c a d 、c a e 、c a m 技术集成于一身，可以满足用户从设计、计算、 制造全过程的使用要求。可进行结构静态、动态分析，热传导计算，流体计算以 及电磁学分析。其包含3 个模块：前处理模块、求解和后处理模块。 前处理用于定义求解所需的数据。用户可选择坐标系统、单元类型、定义实 常数和材料特性，建立实体模型，并对其进行网格划分、控制节点和单元以及定 义耦合和约束方程。a n s y s 提供了广泛的模型生成功能，使用户可快捷的建立 实际工程系统的有限元模型。它提供了3 种不同的建模方法，即模型导入( a n s y s 有文件接口可与一些应用程序方便地进行数据间的传递，女i p r o e ) 、实体建模 及直接生成。 求解模块是在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段通过求解器获得分析 结果。在该阶段用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然 后开始有限元求解。 后处理模块可以通过友好的用户界面获得求解过程的计算结果并对这些结 果进行运算。例如这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等， 计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、图表和曲线等方式显示出来。 2 2a v l e x c i t e 仿真软件简介 8 0 年代初即出现一些通用多体软件可以对发动机系统进行分析和计算。国 外各主要发动机厂家和研究机构在其c a d 系统中均安装了多体动力学分析模 块，并与有限元模态分析优化等模块一起构成一个分析系统，较真实地模拟发 动机工作时的实际情况。近年来随着动力单元振动和噪声计算技术的不断提高及 对这一技术的更高要求，需要有一种逼真的模拟技术，a v l - e x c i t e 计算软件 就是专门为这些应用开发的，对曲轴系的所有运动件和滑动轴承的非线性运动都 可以用先进的模拟技术进行模拟。大量计算结果与实验结果的对比显示，用 e x c i t e 对发动机动力学和噪声进行计算，模拟其结果与真值非常接近。 7 第2 章理论基础 在a v l 广e x c i t e 软件中提供了大量的特殊单元将发动机的各个子结构拼装 在一起，这些特殊单元是具有非线性刚度特性的弹簧单元和非线性阻尼特性的阻 尼单元相耦合的弹簧阻尼单元( n o n l ，f i n t 等) 。另外有一些特殊单元可以 用来模拟止推轴承，减振阻尼和在缸套内的连杆导槽，阻尼和弹簧刚度参数的选 取是根据工程上各种理论和工作经验公式来给定的，他们分别满足一定的规律。 多体动力学结合有限元法，进行发动机非线性混合多体动力学仿真。将刚体 扩展为弹性体，计算其运动及相互作用力；用有限元法( f e m ) 计算弹性体结构变 形，使弹性体具有了全局运动；考虑弹性体间的非线性接触，可计算液力轴承等。 建立多体动力学模型的步骤为： 1 ) 分析原结构的力学工作原理，确定多体动力学的仿真方案； 2 ) 预处理：建立有限元模型，定义节点主自由度，缩减获得子结构的质量 矩阵、刚度矩阵、几何和自由度文件( 在a n s y s 中完成) ； 3 ) 启动e x c i t e ，插入并定义体单元和连接单元，定义力学耦合关系； 4 ) 定义发动机轴系参数、外载工况等； 5 ) 定义数值仿真控制参数( 起止时间、时间步长等) 。 发动机曲轴轴系的多体动力学仿真模型，主要包括曲轴轴系、活塞组件、连 杆组件、各构件间的联接副以及作用于系统上的外力。因为随曲轴一起转动的活 塞、连杆等零部件的主要作用是产生惯性激振力，并传递燃气压力，因此可以不 考虑它们的变形而将其建为刚体。在建模和仿真的各个环节中要综合运用c a d 实体建模、有限元分析和机械系统仿真等多项技术【4 0 4 1 1 。对于先进的发动机和 车辆动力学仿真分析，需考虑全局运动和局部变形的相互影响。缝隙和间隙的物 理效应需采用适当的模型来模拟，而无需调整参数。这些要求特别是在发动机的 轴系模拟中，在燃气力和质量力的作用下，同时存在全局旋转运动和振动，以及 与轴承油膜的强烈影响相互耦合。奥地利a v l 公司的e x c i t e 正是为这样的目的 开发而成的非线性多体动力学仿真分析软件，可仿真发动机总成及局部构件的动 力学和声学性能。软件基本方法是利用了非线性机械系统中，机构中大部分部位 为线弹性行为这样的事实。因此，仿真模型中分为线弹性部件( 机体、连杆组、 曲轴系等) 和非线性连接( 轴承、活塞缸套接触等) 。这样，该软件可以模拟如 动力总成这样的复杂结构，虽然模型复杂，却有良好的计算效率。 e x c i t e 应用范围为： 8 船舶柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究 ( 1 ) 发动机部件的动力学和声学分析 动态负荷和变形的设计分析；时域中曲轴和飞轮的三维动态计算；发动机整 个工作过程中，基于e x c i t e 的计算结果进行有限元应力计算；轴系扭振、发动 机悬置及减振器参数优化；通过和多种有限元分析软件如a n s y s 、n a s t r a n 等的借口程序，利用e x c i t e 的仿真分析结果，通过数据恢复，对零部件进行精 确的动力学响应分析。 ( 2 ) 高级轴承设计 对压力分布、最小油膜厚度、轴心轨迹等提供更加逼真的计算结果；进行疲 劳强度校核和优化设计；用于轴承故障分析与诊断。 ( 3 ) 活塞缸套接触分析 2 3 多体系统动力学基本原理 多体系统动力学是在经典力学的基础上发展起来的，与运动生物力学、航天 器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等领域密切相关且起着重要作用的新 的学科分支【4 2 4 3 1 。多体系统动力学是计算动力学的基础，其主要任务是建立适 用于计算机程式化数学模型的推导。多体系统动力学各种建模方法分为分析法和 综合法。无论运用何种动力学原理，从最后所得的动力学方程的结构形式了来看， 基本可分为2 大类。第1 类为数学模型，其方程个数与系统自由度数相同，第2 类数学模型是用统一的广义坐标描述体的位置和运动。多体系统动力学分析具如 下优点【4 5 】： ( 1 ) 适用对象广泛。由于多体系统动力学由计算机按程序化方法自动建立数 学模型和分析，并且只要输入少量信息就可对多种连接方式的系统进行分析计 算，因此其通用性很强，同以程序可对各种各样的复杂系统进行分析。 ( 2 ) 可用于计算大位移运动。多体系统动力学的公式推导是建立在有限位移 的基础上的，因此它既可以做力学系统小位移振动分析，也可以做系统大位移运 动分析，而这一点更加符合实际系统的运动情况，并且给研究非线性问题带来了 很大的方便，能够使计算结果更加符合实际情况。 + ( 3 ) 模型精度高。研究动力学问题的困难之一就是建立准确的动力学方程， 模型越复杂，建立精确方程的困难越大，有时候甚至是无法实现的。而多体系统 9 第2 章理论基础 动力学的数学模型可由计算机自动生成，不必考虑推导公式的难易程度，所以不 但适用于比较简单的平面模型。而且还适用于复杂的3 维空间模型。 传统的多体系统动力学研究主要在多刚体的领域内进行，然而由于刚性假 设，有时其结果会丧失一定的精度，甚至无法接受。而多体动力学包括多刚体系 统动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系统运动规律的科学。其中，多柔体 动力学是多刚体动力学、分析力学、连续介质力学、结构动力学多学科交叉的结 晶。在多刚体系统动力学中引入柔性体的概念，首先利用有限元分析技术对柔性 体进行分析，然后再与其他多刚体构成的模型联合求解，不仅其模型与计算结果 的可靠性将会显著改善，而且还可以进行结构动态响应计算一6 7 】。随着车用船 舶柴油机高速、轻量化的发展，曲轴的柔性越来越不能被忽略，即船舶柴油机运 动部件存在大范围的整体振动和小范围的变形振动。 多体系统动力学是经典动力学理论同现代计算机技术相结合的产物，它是研 究多体系统运动与动力规律的科学。其研究对象是体( 包括刚体、弹性体及柔性 体等) 和它们之间的连接约束。研究这些运动与动力学规律需要建立体的非线性 运动方程，能量表达式、运动学表达式及其它量表达式。多体系统动力学计算的 基本任务如下【删： ( 1 ) 建立系统运动学和动力学方程式化的数学模型，并开发实现这个数学模 型的软件系统，用户只需输入描述系统的基本参数，即可控制计算机进行方程式 化的处理过程。 ( 2 ) 开发和实现有效的稳定数值计算方法，自动求解运动学和动力学方程， 得到运动学规律和动力学响应。 ( 3 ) 合理解释仿真结果，提供仿真结果的图形输出或将分析计算结果用图表 方式告知用户。 对于船舶柴油机各个零部件的动力学研究过程中，实体建模与载荷的加载求 解是一个关键性问题。船舶柴油机本身就是一个结构复杂的多体系统，外界载荷 类型与作用方式更加复杂，这无形中给船舶柴油机系统动力学研究带来了很大的 困难。通常情况下不得不把模型进行一些简化，以便使问题能够更好的求解。计 算机技术的迅速发展使我们在处理上述问题方面产生了质的飞跃。国外各主要柴 油机厂家和研究机构在其c a d 系统中均安装了多体动力学分析模块，并与有限 1 0 船舶柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究 元模态分析优化等模块一起构成一个分析系统，较真实地模拟柴油机工作时的 实际情况。 考虑到本论文的主要研究课题，应用虚拟技术，以有限元和多体动力学计算 相结合的方法进行船舶柴油机曲轴系统动力学研究，研究采用a n s y s 有限元软 件和a v l e x c i t e 多体动力学软件为仿真分析平台。 2 4a v l - e x clt e 轴系多弹性体系统动力学 a v l - e x c i t e 是发动机设计专用的多体动力学分析程序，它建立的多体模 型包括弹性体和非线性连接单元。e x c i t e 是柴油机设计专用的多体动力学软 件，它结合有限元法进行柴油机动力学仿真，其中各零部件间由非线性连接体连 接。可求得各零部件的动力学响应，即各部件的位移、速度、加速度；以及部件 间的相互作用力。它与a d a m s 等动力学仿真软件相比更具专业性。可以说 e x c i t e 进行动力学分析时结合了三个方面的方法：有限元法，多体动力学，弹 性体间通过非线性接触单元相互作用。 由于模型尺寸原因，求解问题的大型化，在a v l e x c i t e 中采用子全局坐 标系o ( x ，y ，z ) ，用于描述各弹性体全局运动，为静止坐标系；当地坐标系a ( x ，】，z ) ，随各体全局运动一起运动；局部坐标系b i ( x ，】，z 勺，为子结构单 元抚的坐标系。 图2 1 子结构模型示意图 f i g 2 1s k e t c ho fs u b - s t r u c t u r e 第2 章理论摹础 弹性体a 上的节点b i 的坐标的瞬时位移，为三个矢量的和。 x f = x 一= i - b i + q ， ( 1 1 ) 式中：x 。是整体坐标系原点到柔性体的参考坐标系a 的原点位置矢量。 b ；是节点b i 在柔性体上局部坐标系下的未变形的位置矢量t 9 ，是点b i 从未变形的位置到变形以后的位置的线性变形位置矢量。 子结构匆承受内、外力力矩作用，子结构运动服从动量定理和角动量定理。 子结构强迫振动方程： m i u 七d j u 七k , u = f ： ；七g j ( 1 2 ) 其中，z 为已知力( n ) 力矩( n m m ) ，z ”为约束力力矩，g i 为坐标变换 产生的非线性项，u 为位移向量，m 为质量矩阵，k 为刚度矩阵，d 为阻 尼矩阵，为质量矩阵和刚度矩阵线性组合： d = o t m + f l k ( 1 3 ) 其中，口和为结构阻尼和频率的函数。各体全局运动可用向量x 一和角速 度q 表示，其满足动量方程； 所- + q ( 锄一十q ( q ，渤 ( 1 4 ) = f ：4 - f ：+ g 其中，马( q ) 一+ 县( q ，q ) l 为不同坐标系下动量方程，为作用在 体上外载之和，为作用在体上约束载荷之和，既为坐标变换产生的非线 性项。其中，角速度q 满足角动量方程： e q + f t i = p i ( 仍，纯) + 1 ，三( ) 5 f ? 。，g 。，；。，；。，5 f 。，。5 i ，5 ；：) 叫r 7 c ；：_ 刀 1 5 1 2 船舶柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究 其中，e 、f 为常数矩阵，为已知外力矩，刀为约束力矩。方程 ( 1 1 1 4 ) 为非封闭方程，只有已知连接件传递的力和力矩，上述方程才为 封闭方程。 连接件的作用是在弹性件之间传递力和力矩，典型的连接件有主轴承等，流 体动力润滑求解采用r e y n o l d s 方程： 未防毒】+ 未妾】= 6 刁略+ 2 塑d t 】 ( 1 6 ) d 够d 缈d z d z d 矽 。 、 7 式中，h 为润滑油膜厚度，m ；p 为油膜压力，p a ；”为流体动力角速度， r a d s ；r 为润滑油粘度，p a s ；矿为周向方向；z 为宽度方向。 对于弹性体直接接触的区域，要定义接触表面粗糙度及接触区弹性模量， 其中，等效粗糙度仃为： 莎= 斫+ 西 ( 1 7 ) 式中，q 为曲轴表面粗糙度，j a m ；吼为轴瓦表面粗糙度，岬；等效接触 弹性模量e 为： = 孚i 亭 m 8 ， 岛，：分别为曲轴和轴承材料的泊松比；e 。，e 分别为曲轴和轴承材料的弹 性模量，n m m 2 。 通过上述数学模型，建立起曲轴系统多体动力学数值分析模型。连接体的 作用力和力矩作为弹性体的约束力和力矩，而弹性体的作用力及变形作为连接体 流体动力分析的边界条件，进行迭代求解，从而解决了连接体与弹性体之间的耦 合关系【3 羽。 1 3 第3 章曲轴轴系仿真模型的建屯 第3 章曲轴轴系仿真模型的建立 由于课题的分析对象为船舶柴油机曲轴轴系，考虑到分析目的是进行曲轴轴 系的非线性多体动力学分析，本部分详细讨论了课题研究中仿真模型建立的方 法。首先采用a n s y s 直接建立模型，重点在于尽可能简化模型保证理想的网格 划分同时充分体现曲轴轴系的动态特征，满足多体动力学精确计算的要求；其次 在e x c i t e 中建立柴油机曲轴轴系的多体动力学模型，重点在于保证柴油机各个 组件间的正确力学及接触关系。最后采用p r o e 、a n s y s 结合的方法建立曲轴瞬 态应力恢复分析中的曲轴有限元精细模型，重点在于满足有限元法的计算要求和 曲轴实际形体的逼近的一致性。 3 1 曲轴轴系三维实体模型的建立 3 1 1 有限元预处理 3 1 1 1 单元类型的选择 由于船舶柴油机曲轴轴系尺寸巨大，结构复杂，建立模型时选择的单元类型 直接影响到仿真的精度。体单元按形状又可分为四面体单元、五面体单元和六面 体单元【4 8 】。它们有各自的优缺点。五面体单元主要用作过渡单元，采用四面体 单元的曲轴模型可以通过导入已有的曲轴三维c a d 模型后自动划分网格得到， 建模工作可以在很快完成，四面体单元的自动网格生成技术现在已经非常成熟。 但是，在相同的单元密度下，线性四面体单元不如六面体单元精度高。实际应用 时，为了提高精度，可以采用高精度的六面体单元来建立曲轴模型，但是利用已 有三维c a d 模型很难实现六面体网格的自动划分，大多需要人工建立模型，花 费时间很长。从某种程度来说，采用四面体单元还是采用六面体单元取决于对建 模时间和分析精度的不同要求。 对本船舶柴油机曲轴轴系有限元建模而言，本文综合考虑了模型尺寸的实际 情况、课题的目的、建模效率和单元精确度以及实验室所具有软硬件条件，用于 瞬态应力曲轴恢复模型选择四面体单元( s o l i d 9 2 ) ，并进行自动划分；用于搭建 非线性多体动力学模型的曲轴有限元模型选择六面体单元( s o l i d 4 5 ) 进行手动划 分。 1 4 船舶柴油机曲轴轴系多体动力学仿真研究 3 1 1 2 有限元网格划分 建模中在确定了网格单元类型之后，就要对几何模型进行网格划分。网格划 分涉及到三个方面的问题：网格数量、网格疏密和网格质量【4 8 】。 1 网格数量：一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算 规模也会增大，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。在计算结构固 有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，如果计算的 模态阶次较高，则应选择较多的网格。如果需要计算应力，则在精度要求相同的 情况下应取相对较多的网格。 2 网格疏密：网格疏密是指在结构不同部位采用尺寸大小不同的网格。在计 算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为了较好地反映数据变化规律， 需要采用比较密集的网格。而在计算数据梯度较小的部位，为了减小模型规模， 则应划分相对稀疏的网格。 3 网格质量：网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精 度，质量太差的网格甚至会中止计算。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘 曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。在重点研究的结构关键部位，应保 证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起大的局部误差。对于手 动划分网格，一般在划分过程中要时刻注意网格质量的检查，以便及时发现问题， 及时修改。另外，当有限元模型规模较大时，建议对节点和单元的编号进行优化。 节点和单元的编号影响结构总刚度矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存 储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度，特别是对于手动划分的网 格，更有必要进行单元、节点的重新编号和编号的优化，提高计算速度。 本文根据e x c i t e 软件中对模型网格精度的要求，并结合网格划分时的三个 方面的问题，对船舶柴油机曲轴轴系模型的网格划分采用轴向贯通、径向分块的 方法。考虑到了计算规模及计算精度，轴向贯通时，应确保网格网格质量和数量； 径向分块时，关键部位主轴颈划分成六份，并与轴承网格划分耦合。 3 1 1 3 主自由度和主自由度节点的定义 有限元模型生成后，为减小计算规模，采用子结构法进行模态缩减，定义主 自由度节点，主节点间计入结构动态刚度和材料阻尼。有限元子结构法的基础是 选择主自由度节点及建立主自由度。主自由度选定主要考虑外载、耦合和结构( 质 量与刚度分布) 等，包括根据外载力或力矩方向，选定加载点自由度；根据零部 1 5 第3 章曲轴轴系仿真模型的建立 件间相互作用力或力矩，选定耦合点自由度；根据结构动态行为选定主自由度。 选择的主自由度节点应该是多体之间耦合的联结点、模型的加载点或者是后处理 中用于分析结果的点。