（动力机械及工程专业论文）多杆内燃机柔性体优化分析.pdf

中文摘要 在内燃机的所有“可变”技术中，尽管可变压缩比技术难度大，但由于它对 提高内燃机循环热效率和改善内燃机性能比其它技术更有效，因此近年来世界各 大汽车公司和著名研究机构竟相推出自己的方案，可变压缩比技术已成该领域研 究前沿的重大课题，其中多连杆可变压缩比技术尤为受世人瞩目。 本课题正是在上述技术发展的背景下，对一种新型多连杆机构在内燃机上的 应用进行了可行性研究。本文运用理论分析、数值计算与先进的计算机动态仿真 和显示技术相结合的方法，研究新型多杆机构内燃机的机构学规律，探索新机构 的最优化设计及其在传统活塞式内燃机上实现的途径。结合三维c a d 软件p r o e 的建模功能和仿真软件a d a m s 的动态仿真功能，我们可以在准确建模的情况下模 拟仿真虚拟内燃机的运动过程，并从中得到新型内燃机的运动学的各种数据参数 和动力学的各种数据参数。根据虚拟仿真计算出来的各种运动学和动力学数据， 我们可以对多连杆机构进行结构设计和优化，以便获得我们需要的结构模型。同 时，a d a m s 的动力学仿真结果可以作为杆件有限元分析的边界条件，这样能更准 确的分析杆件的变形情况。最后我们完成零件的加工和新型内燃机的装配，然后 对试验机进行试验，以验证新型机构关键参数对整机性能的影响并探索其性能提 高的机理。 关键词：可变压缩比多连杆计算机辅助设计 a b s t r a c t a l t h o u g hi ti sr a t h e rh a r dt or e a l i z et h et e c h n o l o g yo fv a r i a b l ec o m p r e s s i o n r a t i o na m o n ga l lv a r i a b l et e c h n o l o g y , i ti sm o r ee f f i c i e n tt h a n0 t h e rt e c h n o l o g i e st o i m p r o v et h ec i r c u l a rt h e r r s a le i 五c i e n c ya n dp e r f o r m a n c eo fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e t h e r e f o r e , i nr e c e n ty e a r s m o b i l ec o m p a n i e sa n df h m a u si n s t i t u t i o n si nt h e w o r l dh a v er o l l e do u tt h e i ro w np r o j e c t s , a n dt e c h n o l o g yo fv a r i a b l ec o m p r e s s i o n r a t i o nh a sb l x x ) m et h em a j o rs u b j e c t , a m o n gw h i c ht e c h n o l o g yo fv a r i a b l e c o m p r e s s i o nr a t i o no f m u l t i - c o n n e c t e dr o d sh a sc a u g h tw o r l de y e s i nm y p r o j e c t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g y , w ed i daf e a s i b l er e s e a r c h o i la p p l i c a t i o no fan e ws t y l eo fm u l t i c o n n e c t e dr o d sw o r k i n go nt h ei n t e r n a l c o m p r e s s i o ne n g i n e b yt h em e t h o d so fi n t e g r a t i o no ft h e o r e t i ca n a l y s i s , n u m e r i c a l v a l u ec a l c u l a t i o na n da d v a n c e dc o m p u t e rd y n a m i ce m u l a t i o na n dd i s p l a yt e c h n o l o g y , w es t u d i e dt h eo r g a n i cr u l eo fn o ws t y l ei n t e r n a lc o m p r e s s i o ne n g i n ew i t hm u l t i - r o d o r g a n , a n de x p l o r e do p t i m i z i n gp r o j e c t sa n di t sa p p r o a c hw h i c hw a sr e a l i z e do nt h e t r a d i t i o n a lp i s t o no n e s c o n n e c t i n gt h ef n n c t i o n so fm o d e l i n go fp r o 厄s o f t w a r eo f 3 一dc a da n dm o v e m e n tp r o c e s so fe m u l a t e de n g i n e s w ec a ns i m u l a t em o v e m e n t p r o c e s so fe m u l a t e de n 西n e so nt h ec o n d i t i o nt h a tm o d e l i n gi se x a c t t h e nw ec a n r e a c ha 1 1k i n d so fd a t ap a r a m e t e ro fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fn o ws t y l ei n t e r n a l c o m p r e s s i o ne n g i n e s a c c o r d m gt od a t ao fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc a l c u l a t e db y s i m u l a t e de m u l a t o r , m u l t i - r o dm a c h i n ew a si x l a 6 eo r g a n i cd e s i g na n do p t i m i z a t i o nt o a c h i e v et h en e e d e dm o d e l w ec a no b t a i na l lk i n d so fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i cd a t af t o mu s i n gt h ep r 0 e a n da d a m s a c c o r d i n gt h e s ed a t aw ec a nd 髂i g nt h ec o n n e c t i n gr o d sa n da l s ow e c a nl | s ct h e s ed a t a 鹆l i m i tc o n d i t i o i lt od of i n i t ee l e m e n t sa n a l y s i s m e w h i l e t h e e m u l a t e dr e s t i l to f d y n a m i c so f a d a m sc o u l dt or e g a r da sf l o n t i e ro ff m i t ea n a l y s i s w h i c hd i s t o r t i o n so f r o d sa n dp a r t sc o u l db em o r ea c c u r a t e l ya n ds i z e d f i n a l l y , w h e n w ef i n i s h e dp r o c e s so fp a r t sa n da s s e m b l eo fn e w s t y l ei n t e r n a lc o m p r e s s i o ne n g i n e s ) w es h o u l dt e s t 面l o te n g i n e st ov a l i d a t ee f f e c to fk e yp a r a m e t e ro ff l e ws t y l eo r g a nt o t h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l em a c h i n ea n dd i s c o v e ri t si m p r o v e dm e c h a n i s m k e y w o r d ：v a r i a b l ec , o m p m s s i o nr a 6 0 am u l t i - c o n n e c t i n gr o d sc o m p u t e ra s s i s t a n td e s i g n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注蠢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了谢意。 学位论文作者签名：多妖孬签字日期：五夕衫年岁月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤垄盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：多长毳 签字日期：a 年罗月e t 导师签名：拗心宅 签字日期：一多年；月及咱 1 i 选题背景及意义 第一章概述 从1 9 世纪o t t o 循环和d i e s e l 循环的相继问世，到2 0 世纪m i l l e r 循环以 及相关现代先进技术的出现，内燃机的循环热效率已从最初的1 1 提高到目前的 4 0 以上。目前该领域迫切需要解决的关键问题是满足越来越严格的排放法规， 进一步提高循环热效率和降低燃料消耗率。 在内燃机的所有“可变”技术中，尽管可变压缩比技术难度大，但由于它对 提高内燃机循环热效率和改善内燃机性能比其它技术更有效，因此近年来世界各 大汽车公司和著名研究机构竟相推出自己的方案，可变压缩比技术已成该领域研 究前沿的重大课题，其中多连杆可变压缩比技术尤为受世人瞩目。本课题正是在 上述技术发展的背景下，对一种新型多连杆机构在内燃机上的应用进行了可行性 研究。它为下一步深入开展对处于学科前沿的世界上最先进的多连杆机构可变压 缩比内燃机的研究奠定了良好的基础。在目前世界上对环保和节能技术的要求日 趋严格的背景下，该课题具有极高的理论研究与实际应用价值。 i 2 本论文的主要内容 本项研究从彻底克服传统曲柄连杆机构内燃机固有弊端入手，采用的措施是 在传统曲柄连杆机构基础上，将一增加的摆杆的一端连接在通过上下连杆传递动 力的上连杆的特殊部位上，而另一端支撑于发动机左侧缸体的可调动件。首先我 们结合三维c a d 软件p r o e 的建模功能和仿真软件a d a m s 的动态仿真功能，我们 可以在准确建模的情况下模拟仿真虚拟内燃机的运动过程，并从中得到新型内燃 机的运动学的各种数据参数和动力学的各种数据参数。根据虚拟仿真计算出来的 各种运动学和动力学数据，我们可以对多连杆机构进行结构设计和优化，以便获 得我们需要的结构模型。同时，采用多柔性体的a d a m s 动力学仿真结果可以作为 杆件有限元分析的边界条件，这样能更准确的分析杆件的变形情况。最后我们完 成零件的加工和新型内燃机的装配，然后对试验机进行试验，以验证新型机构关 键参数对整机性能的影响并探索其性能提高的机理。运用上述的研究方法，完成 本课题的研究内容，探讨这种新型机构在内燃机上应用的可行性。 本论文按时间顺序大致分为两部分： ( 1 ) 新型多杆机构在内燃机中的应用： 如何优化新型机构柴油机的设计；新型柴油机的动力学仿真；新型机构的 3 d 建模和可靠性分析；原机和新型机构的比较实验。 ( 2 ) 变压缩低温循环内燃机的研究 运用a d a m s 在原有内燃机模型的基础上优化可变压缩比机构，得到可变压缩 比机构模式下活塞位移，速度，加速度，侧向力综合最佳的模型，并综合燃烧室 的设计，以此设计出可变压缩比内燃机；对设计出的机构进行3 d 建模和可靠性 分析。 2 第二章a d a m s ，p r o e 和a n s y s 的功能分析与简介 a d a m s 是美国m e o h a n i o a l 功m m i c s ，k c f s ( m d r s ) 公司生产的软件，它为用户提供了 强大的建模、仿真环境，使用户能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析。和其它c a d 、 c a e 软件相比，a d a m s 具有十分强大的运动学和动力学分析功能。本节将对a d a m s 的 主要功能进行详细的分析，包括使用a d a m s 进行建模、分析的基本过程，a d a m s 的建 模功能，a d a m s 的分析功能，以及a d a m s 如何与其它c a d 、c a e 软件进行数据交换 等内容。 2 1 1 a d 舢v i s 的主要组件 a d a m s 系列软件包括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) 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 h i s f l e x ( 柔 性模块) 、a d a m s c o n t r a l ( 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) 等组件。 a d a m s v i e w 是a d a m s 的主要模块，用户可以用其建造机械系统的模型，并在计 算机上模拟机械系统的各种运动。同时，用户还可以对模型进行运动学和动力学 分析，定义多个设计参数，观察在不同条件下模型的运行状况，得到最优解。 2 1 2 用a d a m s 建模、仿真的步骤 用a d a m s 进行建模、仿真和分析，一般要遵循以下步骤： 一、建造模型 建模包含三部分工作： 1 、创建零件 a d a m s 建模分析的基本步骤有两种途径：通过a d a m s v i e w 的零件库来 创建各种简单的运动单元( 零件) ；用a d a m s e x c h a n g e 引入复杂的c a d 形体( 会 影响运行速度) 。 3 2 、给模型施加约束和运动 3 、给模型施加各种作用力 二、测试模型 定义测量，对模型进行初步仿真，通过仿真结果检验模型中各个零件、约束 及力是否正确。 三、校验模型 导入实际实验测试数据，与虚拟仿真的结果进行比较。 四、模型的细化( r e f i n e ) 经过初步仿真确定了模型的基本运动后，可以在模型中加入更复杂的单元， 如在运动副上加入摩擦，用线性方程或一般方程定义控制系统，加入柔性连接件 等等，使模型与真实系统更加近似。 五、模型的重新描述( i t e r a t e ) 为方便设计，可以加入各种参数对模型进行描述，当用户对模型进行了更改， 这些参数自动发生变化，使相关改动自动执行。 六、优化模型 对模型进行参数分析，优化设计。 七、定制用户自己的环境 用户可以定制菜单、对话框，或利用宏使许多重复工作可以自动进行。 2 2 计算机辅助设计技术的发展及p r o e 介绍 2 2 1 计算机辅助设计技术的简介 c a d 技术起源于美国，它经历了一个由二维设计技术过渡到三维设计技术的 发展过程。早期的c a d 软件是“计算机辅助绘图”( c o m p u t e ra i d e dd r a f t i n g ) 系统，它实际上就是一个电子绘图板，用于辅助二维绘图。由于设计者在设计零 件时的思维活动是三维的，是与颜色、材料、形状、尺寸、位置、相关联部件、 设计工艺等概念相联系的，带有相当复杂的运动状态，二维绘图技术不能有效地 表达设计者的三维设想。技术与需求的差距带动了c a d 设计技术的发展，导致了 三维c a d 设计技术的出现。 三维c a d 设计技术发展到现在已经经历了四次技术革命。第一次技术革 命是曲面造型系统，出现在2 0 世纪6 0 年代，代表软件是c a t i a 绘图系统，它能 描述零件形体的表面信息，不能准确表达零件的其他特性；第二次技术革命是实 体造型技术，代表软件是i - d e a s 绘图系统；第三次技术革命是参数化实体造型 4 技术，出现在2 0 世纪8 0 年代代表软件是p r o e n g i n e e r 绘图系统；第四次技 术革命是美国的s d r c 公司提出的变量化实体造型技术，出现在2 0 世纪9 0 年代， 现在还没有很好地运用到软件系统。由此可见，p r o e n g i n e e r 三维实体模型设 计软件是充分运用先进的参数化实体造型技术的机械模型设计系统，它是目前三 维c a d 软件领域的主导。 2 2 2 p r o e 2 0 0 1 的特点 p r o e 是一套功能强大的三维建模软件，它支持并行开发，在三维c a d 领域广受关注。它之所以受欢迎，自有其独特之处。下面就来介绍一下p r o e 的特点。 基于特征的建模方式 所谓“基于特征”是指用户可以通过定义特征来创建零件，这些特征包 括隆起( p r o t r u s i o n ，又称拉伸) 、扫描( s w e e p ) 、切削( c u t ) 、打孔( h o l e ) 、沟槽 ( s l o t ) 和圆角( r o u n d ) 等。 总的来说，使用特征的好处主要有如下几点： 特征取代了低层的几何图形，如线、弧和圆等。这意味着设计者可以把计算 机作为一个高层设计平台，而不必考虑p r o e 使用的几何图形细节。 用户可以方便地隐藏和改变特性参数，从而快速修改图形。 参数化设计思想 所谓参数化设计是指零件和装配件的物理形状由特征属性值( 主要尺 寸) 来驱动，用户可以随时修改特征尺寸或其他属性。 ”此外，也可以将一个特征属性与另一个特征属性相关联。 父子关系 在p r o e n g i n e e r 中，父子关系( p a r e n t c h ii dr e l a t i o n s ) 是基于特 征建模的个重要方面。例如，下图所示为一个圆角长方体它由两个特征生成， 一个是实体隆起特征，个是圆角特征，其中实体隆起特征为父特征，圆角特征 为子特征。当用户修改基本长方体( 父特征) 的尺寸时，圆角子特征被相应修改， 如下图2 - 1 所示。 图2 1 通常情况下，改变父特征都将影响子特征。删除父特征将导致创建于特 征的一个或多个参考条件被删除，因此，删除父特征将删除父特征的所有子特征。 例如，删除上图中的基本长方体特征，圆角特征将被自动删除。 单一数据库支持与全相关性 传统的三维c a d 建模系统是建立在多个数据库基础上的，每个模块都有 自己的数据库，而p r o e 是建立在单一数据库基础上的大型三维c a d 软件，它包 含了众多模块。这些模块可分为两类：一类为基本模块，如零件编辑模块、草绘 模块、工程图绘图模块、简单装配图绘图模块等；一类为扩展模块，如电缆布线 功能模块p r o c a b l i n g 、参数化组装管理系统模块p r o a s s e m b l y 、板金造型和组 装模块p r o s h e e t m e t a l 等。尽管p r o e 由众多的模块组成，但它却建立在一个 单一的数据库之上。所谓单一数据库，就是指工程中的全部数据部来自一个数据 库。在整个设计过程中，任何一处发生改动，都可以反应在整个设计过程的相关 环节上，此种功能称为全相关性。例如，一旦改变了工程图，n c ( 数控) 工具路径 将会自动更新；如果更改了装配图，这种修改将完全反应在零件图中。因此，这 种独特的数据结构使系统的各个模块达到数据的共享与融合，提高了系统的执行 效率，使产品能更好、更快地推向市场，价格也更便宜。 行为建模技术 行为建模技术是一种智能型的建模技术，应用这种技术可以在产品的设 计过程中、综合考虑产品所要求的功能行为、设计背景和几何图形，它采用知识 捕捉和迭代求解的智能化方法，使用户可以面对不断变化的要求，追求高度创新 的、能满足行为和完善性要求的设计。行为建模技术的强大功能主要体现在3 个方面，即智能模型、目标驱动式设计工具和一个开放式可扩展环境。 2 3i u s y s 有限元分析软件 2 3 1 简介 a n s y s 软件是一个大型通用的有限元程序。它是由j o h ns w a n s o n 博士于 1 9 7 0 年创建的a n s y s 有限公司的主要产品。从七十年代至今已有二十多年的历 史。它开发的初期是为了用于电力工业。现在己能满足从汽车、电子到宇航、化 学等大多数工业领域有限元分析( f 队) 的需要。 a n s y s 程序的用户界面基于公共的标准，用户可方便地交互访问a n s y s 的各 种功能、命令、说明和参考资料。菜单系统直观，输入方法灵活。用户可通过菜 6 单、对话框、工具杆、或直接输入命令等方法输入指令。 在数据管理上，a n s y s 程序使用单独的集中式数据库贮存所有模型数据及求 解结果。利用前处理器把模型数据( 包括实体模型和有限元模型，几何结构，材 料等) 写入数据库中。利用求解器写入载荷和求解结果，利用后处理器写入处理 结果数据。数据一旦写入数据库中即为可用，在其它处理器中也可使用它。 用a n s y s 有限元分析软件分析问题的过程由三个阶段组成：前处理阶段、求 解阶段和后处理阶段。前处理阶段在前处理器中完成，用来定义求解所需的数据， 如选择坐标系和单元类型，定义实常数和材料特性、生成实体模型划分网格、控 制节点和单元，以及定义耦合和约束方程。在a n s y s 程序中使用坐标系可定义空 间几何结构的位置，规定节点自由度方向、定义材料特性方向，以及改变图形显 示和列表。程序中有笛卡尔、柱球、椭球、环坐标类型可供使用。在前处理阶段 中用户输入的所有数据成为集中式a n s y s 数据库的一部分。这个数据库由表构 成：坐标系表、单元类型表、材料特性表、关键点表、节点表、载荷表等。一旦 一个表的数据被规定好，这些数据能通过表项编号来引用。a n s y s 前处理器的实 体建模能力，允许用户直接同模型的几何特性打交道。而不用关心有限元模型的 特定结构( 节点和单元) 。在a n s y s 程序中，实体建模有两种方法可用：自顶向一 下与自底向上。用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而形成一个实体模型。 a n s y s 提供二种网格划分方法：映象网格划分和自由网格划分。 在前处理阶段完成建模后，则可到求解器中对该分析进行求解。在a n s y s 分析的求解阶段，用户能指定分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然 后开始有限元求解，规定分析类型，即指出求解该问题应使用哪些控制方程。一 般可用的分析范围包括结构、热、电磁场、电场、静电、流体、c f d 和耦合场分 析。每种分析类型又包括几种特定的分析类型，如静力和动力分析。载荷数据和 约束构成有限元模型的边界条件。载荷数据包括：自由度约束、点载荷、面载荷、 体载荷和惯性载荷。在指定适当的求解准则后，就能进行求解。用户能命令程序 针对所选择的分析类型求解控制方程，并计算出结果。所有a n s y s 分析类型都建 立在经典方程概念上。借助经过证实的数值技术，把这些概念用公式表示成矩阵 方程，使其适合于用有限元方法分析。要分析的系统用数学模型来表示，数学模 型由离散区域( 单元) 组成。离散区域由有限数量的点连接。分析中的主要未知 数是有限元模型中每个节点的自由度，它们通过附在节点上的单元来定义。与自 由度相对应，模型中的每个单元产生刚度( 或传导率) 、质量及阻尼( 或比热) 矩阵，然后组装这些矩阵，以形成求解器能够处理的联立方程组。a n s y s 有三个 求解器：波前求解器、共轭梯度( p c g ) 求解器和j a c o b i 共轭梯度( j c g ) 求解 器。针对特定的问题，用户可从三个不同的求 7 解器中任选一个求解器求解。 a n s y s 程序的后处理阶段紧接着前处理和求解阶段。在程序的这一部 分，用户可很容易获得求解阶段的计算结果并对其进行运算。在求解阶段，分析 结果写入a n s y s 数据库及结果文件中，因此在a n s y s 分析结束时，数据库中的最 终结果可直接后处理。后处理器有两种，一是用通用后处理器p o s t l ；一是时间 历程后处理器p o s t 2 6 。当数据从结果文件读出后，数据存于a n s y s 数据库。 此外，a n s y s 还具有强大的图形处理能力，用户可直观地校验前处理数 据和在后处理中检查求解结果。 3 1 引言 第三章新型柴油机构件的建模和运动学仿真 本章将讨论用p r o e 对z h i i i o 内燃机的主要构件和新型柴油机构件进行前 期建模，然后用a d a m s 对z h i i i o 内燃机的主要构件和新型柴油机构件进行运动 学的分析。利用a d a m s ，我们可以模拟仿真虚拟内燃机的运动过程，得到一些运 动学上的变化的分析。 3 2 机构的定型 z h s i l l o 是卧式单缸四冲程柴油机，气缸直径1 l o m m ，活塞行程1 1 5 m m 。配 气定时：排气下死点前5 5 。开，上死点后1 2 。关；进气上死点前1 2 。开，下死 点后3 8 。关。供油提前角：2 0 。2 4 。，额定功率：1 2 小时，1 3 2 k w 2 2 0 0 r m i n ； 1 小时，1 4 7 k w 2 2 0 0 r m i n 。压缩比= 1 7 ，燃油消耗率2 3 8 9 k w h ，手摇起动， 采用水冷，压力飞溅式润滑和直接喷射式燃烧室，排量1 0 3 9 l 。z h s i l l 0 柴油机 的活塞销与连杆衬套间隙配合；0 0 2 5 0 0 4 8 m ，曲轴连杆轴颈与连杆轴瓦间隙 配合：0 0 6 o 1 0 4 n n 。连杆比名= r l = 5 7 5 1 1 8 5 = 0 3 1 0 8 。 在a d a m s 中构建虚拟样机模型时，最初要建立如图3 - 1 所示的机构运动图， 并且构件图中的铰链数和各种运动付数及运动件数，必须满足机构学运动的必要 条件首先定义图上所示的6 个连接点和其它6 个辅助设计点，并为优化设计还可 设置多种变量典型的设计是对该机构设置四个变量：初始角度口，o 和口”，d 点 的初始位置坐标d x 和d y 。通过改变这四个参数，便可以对新型机构进行优化， 所以确定参数与运动性能的关系是虚拟样机仿真的主要目的。为了实现这一目 的，需要参数化新型柴油机的虚拟样机。具体做法是：将点c 、点d 、点b 参数 化，即分别设c ( d v _ 1 ，d v 一2 ) 、d ( d v 一3 ，d v _ 4 ) 和b ( d v - 5 ，d v _ 6 ) 。根据不同的参 数可以做相应的a u t o c a d 图( 可以得到相应连接点的坐标值) ，然后通过修改 d v - 1 “d v _ 6 的取值来改变机构的参数，最后再进行模拟仿真。同理建立新型机构 虚拟样机的步骤一样，可以对原机进行虚拟样机仿真。只要虚拟样机坐标设置相 同，仿真参数设置相同，进行仿真后就可与新型机构的位移、速度和加速度进行 9 比较。 图3 - i 新型连杆机构建模示意图 3 3a d a m s 中内燃机模型的运动学仿真 由于a d a m s 在进行运动学、动力学计算时，只考虑零件的质心和质量，而 对零件的外部形状不予考虑，因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形，并没 有多大的实际意义。但是，零件形体描述得越准确，a d a m s 自动计算的零件质量 和质心位置也就越精确。但复杂零件的建模并不是a d a m s 的特长，所以我们可 以通过其它擅长复杂零件建模的软件( 如p r o e ) 进行建模和装配，再应用 m e c h p r o 将在p r o e 中建的模导入a d a m s 中。 3 3 1a d a m s 中的m e c h a n i s m p r o 模块 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 ，机械系统自 动化动力学仿真软件) 所提供的实体造型( s o l i dm o d e l i n g ) 功能并不适合于复杂 3 d 曲面的构建，用户除了通过a d a m s e x c h a n g e 模块输入c a d 几何模型文件 ( i g e s 、s t e p 、p a r a s o l i d 、s t l 、w a t e r f r o n t 和r e n d e r 等) 外，还可将3 dc a d 专业软件当作几何建模前处理器。目前市面上9 0 以上的c a d 软件与a d a m s 有 直接沟通的接口或外挂模块，借助于这些接口和模块，除了能输出a d a m s 的资料 文件( 宰c m d 、 a m d 和几何文件) 外，还能对机构进行动力学、运动学和静力学 的仿真分析。本文以目前常用的高级c a d 软件p r o e n g i n e e r 为基础，通过 m e c h a n i s m p r o 模块对设计过程加以说明。 m e c h a n i s m p r o 模块是连接p r o e n g i n e e r 与a d a m s 的桥梁。通过该模块， p n e n g i n e e r 与a d a m s 可以采用无缝连接的方式，使p r o e n g i n e e r 用户不必退 出其应用环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机构系统，进行系统 的运动学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁止的位置以及计算运动副间的作用 力。 1 0 3 - 3 2 原机构件的建模、运动学仿真 3 3 2 13 d 造型( 3 dm o d e l i n g ) 首先要在p r o e n g i n e e r 环境中建立原机装配件的各零部件( p a r t s ) ，然后 进行装配，产生完整正确的3 d 装配件。图3 一l 图3 - 4 是原机各个构件的模型 和装配图： 图3 - 1 活塞 图3 - 3 连杆 3 3 2 2 定义刚体 图3 - 2 凸轮轴 图3 4 原机装配图 在c a d 内进行机构分析，必须先定义哪些零部件是分析件：同时，基于刚体 动力学的假设，所有零部件均称为刚性体或刚体( r i g i db o d y ) ，在机构分析环境 内称刚性体或刚体为对象( o b j e c t ) 。所以我们把原机的各个零部件定义为刚体： 单击m e c h p r o s e tu pm e c h a n i s m r i g i db o d i e s c r e a t e ，弹出r bc r e a t i o n 菜 单；选择零部件然后单击d e f i n er i g i db o d y d o n e r e t u r n 刚体定义完毕。 3 3 2 3 定义连接约束条件 约束条件的定义可在 m e c h p r o s e t u p m e c h a n i s m c o n s t r a i n t s j o i n t c r e a t e 中完成。 3 3 2 4 定义运动驱动器及施加载荷 要使一个机构按照一定的规律运动，必须根据实际要求定义机构的运动驱 动器，另外还必须给机构施加载荷，然后进行动力学分析。 单击s e tu pm e c h a n i s m c o n s t r a i n t s m o t i o n c r e a t e 定义运动驱动器 m o t i o n jo ( 2 ) 我们把活塞的载荷用样条曲线的方式加入。( 样条曲线的定义：由曲 线或者曲面返回曲线的导数或者曲线的拟合值) 我们可以通过a k i m a 样条曲线拟 合方法，使用一系列离散点来拟合曲线。样条插值函数有以下几种： 函数功能 c u b s p l ( f l y ，s i v ，s n ，d o )返回根据标准三次样条函数得到的曲面或曲 线s n 在点f i v 及s i v ( 可选) 处的插值 c u r v e ( i v ，d 0 ，d ，c n )b 样条曲线拟合方式或用户定义拟合方式 a k i s p l ( f i v ，s i v ，s n ，d o )返回根据a k i m a 拟合方式得到的曲面或曲线 s n 在点f i v 及s i v ( 可选处的差值) 在分析中，我们采用a k i s p l 函数，它的格式为： a i ( i s p l ( 第一独立变量，第二独立变量，样条函数名，求导阶数) 自变量：第一独立变量( 必须) 代表样条中第一独立变量的实数变量。 第二独立变量( 必须) 一代表样条中第二独立变量的实数变量。 样条函数名字( 必须) 一已存在的数据样条实体的名字，定义了用作拟合的 一系列离散点。 求导阶数( 可选) 一在求离散点时用作求导的阶数。 其合法值为： 枣o 一返回曲线坐标值。 木1 一返回一阶导数值。 * 2 - - 返回二阶导数值。 3 3 2 5 定义仿真分析形式并执行仿真 在完成定义机构的刚体属性、标记、连接约束、运动驱动器和载荷之后( 图 3 5 ) ，就可以定义仿真分析形式，最后执行仿真操作。 1 2 图3 - 5a d a m s 中原机模型 3 3 3 新机构件的建模、运动学仿真 3 3 3 13 d 造型( 3 dm o d e l i n g ) 图3 - 6 图3 - 1 2 是新机各个构件的模型和装配图： 图3 - 6 活塞图3 - 7 凸轮轴 图3 - 8 新机上连杆图3 - 9 新机下连杆 图3 1 0 新机摆杆图3 - i i 新机曲轴 图3 - 1 2 新机装配图 1 4 3 3 3 2 定义刚体 在c a d 内进行机构分析，必须先定义哪些零部件是分析件：同时，基于刚体 动力学的假设，所有零部件均称为刚性体或刚体( r i g i db o d y ) ，在机构分析环境 内称刚性体或刚体为对象( o b j e c t ) 。所以我们把原机的各个零部件定义为刚体： 单击 , 忸c h p r o s e tu pm e c h a n i s m r i g i db o d i e s c r e a t e ，弹出r bc r e a t i o n 菜 单；选择零部件然后单击d e f i n er i g i db o d y d o n e r e t u r n 刚体定义完毕。 3 3 3 3 定义连接约束条件 约束条件的定义可在m e c h p r o s e t u p m e c h a n i s m c o n s t r a i n t s j o i n t c r e a t e 中罗琶成。 3 3 3 4 定义运动驱动器及施加载荷 要使一个机构按照一定的规律运动，必须根据实际要求定义机构的运动驱 动器，另外还必须给机构施加载荷，然后进行运动学分析。 ( 1 ) 单击s e tu pm e c h a n i s m c o n s t r a i n t s m o t i o n c r e 缸e 定义运动驱动器 m o t i o n _ l 。 ( 2 ) 和原机定义载荷一样，我们用样条曲线的方式定义新机活塞的载荷。 3 3 3 5 定义仿真分析形式并执行仿真 在完成定义机构的刚体属性、标记、连接约束、运动驱动器和载荷之后( 图 3 - 1 3 ) ，就可以定义仿真分析形式，并执行仿真操作。 图3 - 1 3a d a m s 中新机装配模型 3 4 新型机构内燃机的运动学特性研究数据与结果分析 经过模型的仿真运行，我们得到原机和新机的各种运动学数据。图3 - 1 4 图3 - 1 6 分别是新型机构与原机的位移、速度和加速度比较曲线。( 其中虚线是原 机数据，实线为新机数据) l = 篇黔絮蕊器1 l 矿咚、矿h ，。、议 尹囊 0 。譬 点， 弋 ， 弋 薯 帕 ；一 图3 - 1 4 两种内燃机活塞位移特性比较 - t = = 嚣麓惑= ：= 蠹品1 。奠、 ，、 7 ，i f入 | 一 | l彳、： nl 彦k ，： ； 爹戢| ； 卢i j a | ，、 ，7 一| | 0 一 ， ，婚，! t 飞，臻1 吨 l - ，ll 卜一 、l、：， ov 图3 一1 5 两种内燃机活塞速度特性比较 1 6 1 = = 然墨器= = 蕊1 ，太 厶、i ，、 ；f 甘一一、l 一1 ，、l 吣l f 尊飞 l* ， lj v 、 i fl j 一，卜十一斗p、f 、r、jj i、j 4 l i网| 、 ，i i ，i j 、l_ j，l、 j 一 ，j 弋譬一a 7 f嗨一、，f ；| i、 j、l | 、j v 3 - 1 6 两种内燃机活塞加速度特性比较 图3 - 1 4 是新型机构与原机的位移比较曲线。图中虚线是传统曲柄连杆机构 原机的位移曲线，实线是新型六杆机构内燃机的位移曲线。从两者的比较并结合 机构的瞬时运动状况分析可以得到如下信息： 新型机构排气、压缩冲程的曲轴转角图比原机的排气、压缩的曲轴转角小， 过程进展得较快，持续时间较短。 进气、膨胀冲程的曲轴转角比原机的进气、膨胀的曲轴转角大，过程进展得 较慢。持续时间比较长。原机的膨胀过程连杆摆离气缸中心线的摆角比较大，而 新型机构则相对减小2 5 以上。 从1 和2 两点中，我们注意到，新型六杆机构内燃机已经不再具有传统内燃 机活塞运动学对称的特性。新型机构内燃机的运动学显示了与传统内燃机绝然不 同的运动学非对称性。这一非对称特性有可能给内燃机带来如下优点： i 、必将使内燃机在相同转速下的压缩冲程明显加快，有利于提高压缩上止 点附近的紊流强度，充分提高燃烧效率，加快火花点燃式内燃机的火焰传播速度 和压燃式柴油机的燃油与空气混合速率，从而改善燃烧过程。 2 、压缩过程中，由于活塞运动加快，活塞环的漏气损失及散热损失得到了 减小，使压缩温度和压力提高，缩短了着火延时期。而可燃混合气形成条件的改 善，有助于提高燃烧的完善程度。 3 、新型内燃机进气、膨胀冲程的曲轴转角比原机的迸气、膨胀的曲轴转角 大。进气时间的延长可有效提高发动机的充气效率，对于同样大小的气缸容积的 内燃机，在相同的进气状态下可提高每循环进入气缸的新鲜充量，可获得更多的 有用功。 4 、燃烧过程的延长，不仅有利于燃料的充分燃烧，还有利于降低内燃机的 排放污染物。 5 、由于新型内燃机的连杆摆离气缸中心线的摆角比较小，比传统内燃机相 1 7 l量#0e鼍j-u 对减小2 5 上。因此有利于减小由于过高的侧向压力引起的磨擦损失而提高发动 机的机械效率。 当然这种新型机构内燃机，由于具有运动学的非对称性，其瞬时加速度幅值 比原机要大，会加剧单缸内燃机的振动，使得单缸机的动力学平衡问题比较突 出，还有待于进行深入研究。因此，这种新型机构比较适用于平衡特性良好的多 缸内燃机。 第四章多杆内燃机多柔性体动力学分析及有限元分析 将多连杆机构用于内燃机中，由于机构本身特性的变化往往会带来机构运动 学与动力学的改变，加剧运动部件的受力。因此研究多连杆机构内燃机中连杆等 运动部件的强度和刚度以及结构的优化，对机构在内燃机中的实际应用十分重要 考虑到多连杆机构比原来的内燃机连杆机构有较大的区别，复杂程度有很大的提 高，在a d a m s 中进行动力学分析时在模型中引入柔性体，利用此模块可以考虑物 体的弹性。在过去分析时建立的模型，其构件都是