（动力机械及工程专业论文）多杆内燃机摩擦耦合柔性多体动力学分析.pdf

中文摘要 本课题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 使用三维造型软件p r o e 的3 d 建模功能并结合仿真分析软件a d a m s 的动态仿真 功能，在准确建模的情况下模拟多杆内燃机机构的运动过程，并从中得到新型 内燃机的运动学和动力学各种数据结果。 根据虚拟仿真计算出来的各种运动学和动力学数据，采用柔性体方法对主 要部件进行多体动力学仿真分析。结果表明，柔性体分析方法能够获得更准确 的仿真分析结果，可以更精确地了解部件在实际运动过程中的动力学参数和动 态行为，从而获得更接近于实际的有限元分析边界条件，提高系统仿真精度。 通过该分析方法也可以获得各部件在运行过程中的应力变化历程、最大应力和 应变能等信息，并进一步分析部件的疲劳强度、安全系数等，以达到改进和优 化部件的目的。 最后，在进行内燃机多体动力学分析过程中考虑了轴承的流体动力润滑作 用。建立了一个内燃机系统动力学与流体动力润滑耦合作用下的动力学分析模 型。通过机械系统动力学分析软件a d a m s 和自行编写的计算流体动力润滑程序 之间的连接调用，进行了系统动力学与流体动力润滑耦合作用下的动力学分析。 分析结果表明：在内燃机动力学分析中考虑油膜动力润滑作用对内燃机各项动 力学参数均有较大影响，因此在内燃机零部件设计时考虑摩擦学与系统动力学 的耦合是非常必要的。 关键词：多连杆动力学分析柔性体安全系数动力耦合 a b s t r a c t i nm yp r o j e c t w ed i daf e a s i b l er e s e a r c ho na p p l i c a t i o ni nan e ws t y l eo f m u l t i 1 i n ke n g i n e c o m b i n e dt h ef u n c t i o n so fm o d e l i n go fp r 0 es o f t w a r eo f3 - d c a dw i t ht h es i m u l a t i o no fe n g i n e sm o v e m e n tp r o c e s s w ec a l ls 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 g i 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 o b t a i na i lk i n d so fd a t aa n dp a r a m e t e r so fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c si 1 1t h en e ws t y l e o fi n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e a c c o r d i n 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 ys i m u i a t e de m u l a t o r f l e x i b l eb o d ym e t h o di su s e dt oa n a l y z et h ee n g i n e t h er e s u l t ss h o wt h a tw ec a n o b t a i nn o to n l ym o r ea c c u r a t e l ys i m u l a t i v er e s u l t s ，b u ta l s ou n d e r s t a n dm o r et r u l yt h e d y n a m i ca c t i o no fm o v i n gp a r t sa n dv a r i e t yo fi t sp a r a m e t e r s s oa st oa c q u i r et h ed i n t b o u n d a r yc o n d i t i o nw h i c hi sc l o s et ot r u ea n de n h a n c et h es i m u l a t i n gp r e c i s i o no f o v e r a l lm e c h a n i s ms y s t e m w ea l s oc a ng e tt h ec o u r s eo fs t r e s s ，t h em a x i m u mo f s t r e s s s t r a i n e n e r g ya n ds oo nf r o mt h ea n a l y s i s a i lt h er e s u l tc a no f f e rr e l i a b l ed a t a f o ra d v a n c e da n a l y s i s s u c ha sf a t i g u ei n t e n s i t y 。s a f e t yf a c t o ra n ds oo n s ot h i s m e t h o di so fl e a d i n gm e a n i n gt ot h eo p t i m i z a t i o no fr o d s a tl a s ta na n a l y s i sm o d e lo fc o u p l i n gs y s t e md y n a m i cb e h a v i o rt ob e a r i n g h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o ni ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei se s t a b l i s h e d 1 n h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h em o d e li sp r e s e n t e dt h r o u g hi i n k i n gt h es o l v e ro fa d a m ss o f t w a r e t of o r t ra np r o g r a m i nt h es i m u l a t i o n ，t h eo i lf i l mf o r c e si nb e a r i n g sa r e c o m p u t e db ys o l v i n gr e y n o l d sd i f f e r e n t i a le q u a t i o n b yc o n t r a s t i n gw i t ht h er e s u l t s o fam o d e ln e g l e c t i n gb e a t i n gl u b r i c a t i o n ，t h ec o u p l i n gs y s t e md y n a m i cb e h a v i o rt o l u b r i c a t i o nc a nc h a n g et h ef o r c e sa c t i n go ne n g i n eb l o c k s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt o s t u d yt h ec o u p l i n gd y n a m i cb e h a v i o rt oo i lf i l ml u b r i c a t i o ni nd e s i g no fi n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e k e y w o r d ：m u l t i - c o n n e c t i n gr o d sa n a l y s i so fd y n a m i c s f l e x i b l eb o d y s a f e t yf a c t o rd y n a m i cc o u p l i n g 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，也不包含为获得墨鲞盘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：玉升。签字日期：。7 年 ，月专d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞态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： 导师签名： 签字日期： 67 年，月害。1 3签字日期：力年月夕护日 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 1 1 1 多杆内燃机机构的特点 动力装置现今已经广泛地应用于汽车、航空、航天、船舶等领域。通过一 个多世纪的发展，车用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。 本课题正是在以上大背景下对一种新型多连杆机构在内燃机上的应用进行 了可行性研究和分析。此种多杆内燃机机构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，增加一根摆杆。 该机构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。 1 1 2 柔性体分析的意义 机械系统一般由若干个部件组成，通过几何约束联结起来完成预期动作， 因此也可以把整个机械系统叫做多体系统。若将系统中每个物体都看作是不变 形的刚性体则该系统为多刚体系统；若系统中有一些物体必须考虑其变形，则 为多柔性体系统或柔性多体系统。 过去分析时建立的模型，其构件都是属于刚体，在运动分析时不会发生弹 性变形。大多数情况下把样机当作刚性体系统来处理可以满足要求，但是在一 些需要考虑构件变形的特殊情况下，完全把模型当作刚性体系统来处理还不能 达到精度要求，必须把模型的部分构件做成可以产生变形的柔性体来处理。尤 其在较大载荷或加、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，当激励频率与柔性体的某阶模态频率接近时容易产生共振，此时对 系统的动态特性影响很大。因此必须考虑各零部件的柔性( 弹性和塑性) 以提高 仿真分析的精度。应用多柔性体系统动力学的建模理论和方法，可以实现精确 建模、虚拟设计、动力学仿真分析与优化、系统匹配、整体性能、使用寿命和 安全系数预测等等。 第一章绪论 1 2 本论文主要内容 本文对于一种多杆内燃机模型进行仿真分析。首先结合三维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，创建该新型机构的刚性体系统。 通过该系统准确的模拟和仿真虚拟内燃机的运动过程，从中得到新型内燃机的 运动学各种数据参数和动力学参数。再通过对于刚惟体系统的改造，将其变成 考虑变形和弹性的柔性体系统，并对其进行仿真分析，将其结果与刚性体系统 进行比对。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。然后对于已有的柔性体系统 各部件进行疲劳分析和疲劳计算，求得系统中各部件的使用寿命和最小安全系 数，观察其疲劳损坏的位置，并根据其结果对部件进行进一步优化设计，使其 达到机构运转要求。最后在已有的多杆内燃机模型中使用机械系统动态仿真程 序a d a m s 作为基本平台进行机构动力学仿真计算，使用m a t l a b 作为控制软件对 机构进行控制，对机构进行联合仿真，实现具有摩擦学行为及摩擦学行为与系 统动力学行为耦合仿真功能的虚拟样机模型。运用上述的各种研究方法和过程， 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。 本论文大致可分为四大部分： ( 1 ) 新型多杆机构的刚性体模型和运算 包含新型多杆内燃机机构各部件建模；刚性体系统的构建；刚性体系统动 力学仿真分析及其结果。 ( 2 ) 新型多杆内燃机机构柔性体模型和仿真 包含模态中性文件的建立；柔性多体系统的构建及其仿真计算：柔性体系 统分析结果与刚性体系统的比较；通过简化模态方法简化柔性体分析；通过简 化模型的方法简化柔性体分析等。 ( 3 ) 多杆机构疲劳分析及其优化 包含使用柔性体分析结果为边界条件观察各部件模态；各部件进行疲劳分 析和计算；根据疲劳分析结果对部件进行优化设计，各种优化设计方案的比较 分析；最终优化设计方案的确定等。 ( 4 ) 系统动力学与油膜动力润滑的耦合分析 包含联合仿真模型的基本原理：本机构摩擦学数学模型的简化和计算；控 制模块的构建；联合仿真分析结果等。 2 第二章辅助设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析的功能与简介 第二章辅助设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析的功能与简介 2 1 计算机辅助设计及p r o ew i l d f i r e2 0 2 1 1 计算机辅助设计技术 c a d 技术起源于美国，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 d d r a f t i n g ) 系统，它实际上是一个电子绘图板，用于辅助二维绘图。但由于设计 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，因此二维绘图技术不能有效地表达设 计者的三维设想。技术与需求的差距导致三维c a d 设计技术的出现。在2 0 世纪 6 0 年代，三维c a d 设计技术经历了第一次技术革命，出现了曲面造型系统，它 能够描述零件形体的表面信息，但不能准确的表达零件的其他特性；第二次技 术革命是实体造型技术：第三次技术革命是参数化实体造型技术，它出现在2 0 世纪8 0 年代。其代表软件是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，但现在还没有很好地运用到软件系统 中。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 1 2p r o e n g i n e e rw i l d f i r e2 0 的特点 p r o e n g i n e e r 是一套三维建模软件，它具有强大的建模功能和良好的稳 定性。它支持并行开发，在三维c a d 领域广受关注。通过它用户可以在三维环 境中观看设计。通过它的智能几何体功能，用户可以参数化几何体并通过尺寸 来控制最终的模型。p r o e n g i n e e r 是一个基于三维特征，关联，基于历史，参 数化的健壮的实体建模系统。它可以用于零件和装配体的设计，详细设计，制 造以及分析等多领域。 在p r o e 中使用的四种建模准则分别为： ( 1 ) 三维实体造型准则( 3 0s o l i dm o d e l i n g ) ：用户除了可以将模型在计 算机上显现出来之外还可以借助系统参数算出产品的中心、体积、面积等等， 了解构件的真实性。 ( 2 ) 单一数据库准则( s i n g l ed a t a b a s e ) ：由于使用单一数据库，用户可 以随时修改由3 d 模型产生的2 d 图。 ( 3 ) 以特征作为设计单位准则( f e a t u r e - b a s e dd e s i g n ) ：孔、槽、圆角 3 第二章辅助设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析的功能与简介 等基本特征可以随时根据用户要求做出调整、插入和删除等工作。 ( 4 ) 参数化设计准则( p a r a m e t r i cd e s i g n ) ：所有设计过程中用到的尺寸， 即参数都储存在数据库中，用户可以通过这些参数来控制几何体。 本论文主要使用p r o e 中基于特征的建模方法。特征即一个基本的构建块， 它可以描述设计的指定内容，并且在各个特征之间会产生特定的依赖性。因此 基于特征的建模可以结合用户自身的设计意图。这些设计意图可以表示为特征 的大小、形状、甚至公差、制造过程、特征间的关系及尺寸等比1 。 2 2 虚拟样机技术及a d a i _ s 软件环境 本节将对虚拟样机技术的主要功能进行详细的介绍，包括虚拟样机技术的 发展、研究范围、a d a m s 的建模及分析功能、使用a d a m s 进行建模、分析和仿真 的基本过程等内容。 2 2 1 虚拟样机技术 虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) 技术是计算机辅助工程( c a e ) 的一个 重要分支，它使人们开发新产品时，在概念设计阶段，通过学科理论和计算机 语言，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试，达到提高设计性能，降低设计成 本，减少产品开发时间的目的。虚拟样机技术开发流程如图2 - i 所示。 概念 _ 详细虚拟样产品定 - 设计 设计机测试型生产 图2 - i 虚拟样机开发流程图 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，它是随着计算 机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。通过这种方法，工 程师可以在计算机上建立样机模型，并通过对模型进行动态性能的分析来改进 设计方案，因此可以将传统的实物样机试验用数字化形式来代替。虚拟样机技 术的广泛应用，可以减少产品开发成本，提高设计效率，提高产品质量，改善 产品的性能，获得最优化和创新的设计成果u 1 。 虚拟样机技术的研究对象是机械系统，即由多个相互连接、彼此能够相对 4 第二章辅助设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析的功能与简介 运动的构件的组合。其研究范围主要是机械系统的静力学分析，动力学分析以 及运动学分析。虚拟样机技术的核心是利用计算机辅助分析来确定系统及其构 件在任意时刻的位置、速度和加速度，并且通过求解代数方程组确定系统及其 各构件运动所需的作用力和反作用力等。 2 2 2a d 朋s 一动力学自动分析软件 机械系统动力学自动分析软件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 f m e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的著 名虚拟样机分析软件。用户可以运用该软件方便地对虚拟机械系统进行静力学、 运动学和动力学分析。设计人员在设计早期阶段可以通过在a d a m s 上运行虚拟 样机，得到在系统水平上机械结构的工作性能，实现系统的最优设计。同时它 又是虚拟样机分析开发工具，通过使用其开放性的程序结构和多种接口，可以 对虚拟样机进行二次开发。交互式图形环境a d a m s v ie w 采用分层方式完成建模。 求解器a d a m s s o l v e r 自动形成机械系统模型的动力学方程，并提供解算结果。 在a d a m s p o s t p r o c e s s 后处理模块中仿真结果将采用形象直观的方式描述系统 的各方面性能并将其输出h 1 。 2 2 3 使用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 、仿真模型构建 a d a m s 的开放性的程序结构提供了多种接口。可以通过各种三维造型软件创 建零件模型，并将其导入a d a m s 中进行运算和仿真。也可以在通过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。 2 、 给模型施加约束和运动。 3 、给模型施加各种作用力。 二、初步测试模型 定义测量，对模型进行初步仿真，以判断模型各部分约束是否正确。 三、模型仿真 定义模型所需基本函数及其它必须条件，并进行仿真计算，输出结果。 四、校验仿真结果 使用实际试验结果与仿真结果进行比较，判断模型优劣，并进行进一步的 5 第二章辅助设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析的功能与简介 细化或优化分析引。 2 3f e a 有限元分析及其软件环境 2 3 1 有限元分析的基本思路 数值分析是从无限维空间转化到有限维空间，把连续系统转变为离散型的 结构。有限元方法是利用场函数分片多项式逼近模式来实现离散化过程的，也 就是说，有限元方法依赖于一种有限维子空间，这种子空间的基函数系是具有 微小支集的函数系，将这样的函数系与大范围分析相结合，就可以反映场内任 何两个局部地点场变量的相互依赖关系。 有限元基本分析方法和过程分如下几步： 1 物体的离散化 单元剖分：将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型。并将离散 后的单元通过其节点联合起来。因此有限元分析中的具体结构已经不是原来的 整体结构，而是离散的各个单元的结合体。 2 单元特性分析 ( 1 ) 选择位移模式 位移法：选择节点位移作为基本未知量。 力法：选择节点力作为基本未知量。 混合法：取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量。 ( 2 ) 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单 元节点力和节点位移的关系式。需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来 建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵。 ( 3 ) 计算等效节点力 利用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。 4 单元组集 利用结构的平衡条件和边界条件将各个单元按原来的结构重新连接起来， 形成整体的有限元方程式： 脚= f ( 2 1 ) 其中k 是整体结构的刚度矩阵；q 是节点位移矩阵：f 是载荷矩阵。 5 求解未知节点位移 求解有限元方程式得出位移，这里可以根据方程组的具体特点来选择合适 6 第二章辅助设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析的功能与简介 的计算方法。 可得出如下结论：有限元的基本思想：一分一合，分是为了进行单元分析， 合则是为了对整体结构进行综合的分析。 2 3 2 有限元分析的一般过程 由于大型的有限元程序已经比较成熟，故在对某个问题进行有限元分析时， 不需要再编写复杂的程序，一般只需要进行以下三个方面的工作。 2 3 2 1 前处理 前处理的目的是建立有限元计算的模型，该模型应包含节点信息、单元类 型、材料特性、边界条件和载荷特性等，其主要任务是为构件划分网格。 要准确快速地建立起有限元模型，应首先建立其三维实体模型，然后在此 基础上进行单元离散。用户可以在软件提供的环境下建模，也可以应用其它的 几何建模软件，然后再通过通用的数据格式进行转换。 在有限元分析计算中，为了得到正确合理的分析结果，必须选取合理的单 元类型，合适的网格大小以及网格密度等。 单元类型包括杆单元、板壳单元、梁单元、膜单元、平面应力单元、平面 应变单元、轴对称单元、三维实体单元、不可压缩单元等，基本的单元结构模 型可以分为一维梁单元、二维壳单元、三维体单元等。最常用的网格对于二维 平面问题用三角形单元和四边形单元，对于三维实体问题则一般采用四面体单 元和六面体单元。 问题的边界条件( 包括载荷) 是前处理工作中的一个难点，对它的模拟合 理与否直接影响解的合理性。边界条件的确定方法大致可分为三类： ( 1 ) 解析法 发动机零部件的运动学和动力学计算是一种典型的确定发动机零部件工作 状态的解析法。解析法由于具有方便、准确的优点，历来受到人们的重视。 ( 2 ) 试验法 对于难以解析确定的边界条件，试验是一种行之有效的方法。试验测定值 通常比解析确定值更能反映零件的实际工作状态，因为解析法反映的大多是理 想情况，但实验测定法所需步骤复杂，测定周期长。 ( 3 ) 试算法 对于既难以解析确定，又难以试验测出的边界条件，可以先作假设再通过 以某一量值为标准进行试算，使结果与该标准值吻合，从而确定出此边界条件。 7 第二章辅助设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析的功能与简介 2 3 2 2 求解 根据问题的不同类型，选用不同的求解算法。 2 3 2 3 后处理 一个有限元的计算结果一般仅提供具有位移的节点和具有应力的单元的数 字信息，仅仅对数字信息进行分析有时很难得到问题的全貌，同时对于大型的 具有上万个节点或单元的结构，对计算结果进行二次处理需要花费大量的人力 和时间，因此大型有限元程序一般都提供结果后处理功能，它可以实现计算结 果的图形描述。对于后处理一般要完成： ( 1 ) 用图形使计算结果直观化； ( 2 ) 对计算结果做可信度检验； ( 3 ) 利用结果解决实际问题。 2 3 3 有限元分析软件m s c n a s t r a n 、m s c p a t r a n m s c n a s t r a n 有限元分析系统是由美国国家宇航局( n a s a ) 在2 0 世纪6 0 年 代中期委托m s c 公司和贝尔航空系统公司开发的，其系统规模大、功能强。主 要使用的分析功能模块有基本分析模块( 含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦 合及数据库管理等) 、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵 敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、d m a p 用户开发工 具模块及高级对称分析模块。 m s c n a s t r a n 的前后处理均采用m s c p a t r a n 程序。m s c p a t r a n 是有限元框 架式平台，设计人员可以方便地根据自己的需求进行多学科的工程分析和数据 交换，它采用交互式图形界面，可实现工程设计、工程分析、结果评估等，是一 个完整的c a e 集成环境。它采用直接几何访问技术( d i r e c tg e o m e t r ya c c e s s ) 直接从多种c a d c a m 系统中获取几何模型，甚至参数和特征等多种信息；也可 以通过其独立几何建模和编辑工具完成模型准备。多种网格处理器也可以实现 分析结构有限元网格的快速生成。通过模型定义功能可将单元、材料、载荷、 边界条件等分析信息直接加到有限元网格或任何c a d 几何模型上。因此，利用 m s c p a t r a n 用户可以利用计算机辅助设计部件产生有限元模型，提交这些模型 进行仿真，并且利用所得结果改善产品设计，更好地达到承受载荷，减少重量 和材料，获得更高的性能的目的。分析的后处理可以提供等值图、彩色云图等 多种计算分析结果可视化工具，帮助用户灵活、快速地理解结构在载荷作用下 8 第二章辅助设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析的功能与简介 复杂的行为，如结构受力、变形、疲劳寿命等。同时，分析的结果也可与其他 有限元程序联合使用，得到更多更准确的分析结果。 2 4 疲劳分析及其软件环境 2 4 1 疲劳分析的意义和计算方法 疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一。当材料或结构受到多次 重复变化的载荷作用后，应力值虽然没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极 限还要低，但此时零件也有可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或 结构的破坏现象即为疲劳破坏。 对疲劳从不同角度进行分析可以分为材料疲劳和结构疲劳。材料疲劳主要 研究材料的失效机理、化学成分等对疲劳强度的影响；结构疲劳则以零部件甚 至整个机构为研究对象，研究其疲劳性能、抗疲劳设计方法，寿命估算方法等。 确定疲劳寿命的方法主要有试验法和试验分析法。传统方法即试验法完全 依赖于大量试验来确定疲劳寿命。而试验分析法依据材料的疲劳性能，对照结 构所受到的载荷历程，通过分析模型来确定结构的疲劳寿命。其分析过程主要 包括三方面内容：材料疲劳行为的描述，循环载荷下结构的响应以及疲劳累计 损伤法则。 疲劳寿命分析方法随着计算机技术和有限元分析的发展得到了广泛运用， 这种方法可以摆脱疲劳分析对于大量试验的依赖，减少分析处理方法中的经验 性成分。通过这种方法，设计人员可以在设计阶段比较不同方案的疲劳寿命品 质，校核疲劳寿命是否满足设计要求，做抗疲劳设计，也可以通过疲劳分析确 定疲劳危险部位，以确定试验过程主要监测的关键部位。 采用有限元分析方法进行疲劳寿命计算过程可基本分为以下两个步骤： ( 1 ) 通过有限元方法，根据载荷和几何结构计算中的应力变化历程，计算 一个动态的应力应变响应。 ( 2 ) 根据应力应变响应，结合材料性能参数，应用不同的疲劳损伤模型进 行寿命计算。 2 4 2 疲劳分析软件一m s c f a t i g u e m s c f a t i g u e 是一个通用性很强的基于有限元分析结果的疲劳分析设计工 具，可灵活地预估各种复杂零件和结构的疲劳寿命。它允许设计者在产品设计早 期进行疲劳计算，并且可以帮助用户快速准确的预测产品在任何与时间相关和 9 第二章辅助设计、虚拟样机、有限元、疲劳分析的功能与简介 频率相关的载荷工况作用下的寿命，并以此为基础对产品进行优化。 m s c f a t i g u e 拥有方便简捷的用户图形界面，可进行人机对话操作：拥有丰 富的材料数据库；具有图形显示，输入和编辑以及检索功能；能创造、处理和 显示载荷数据库；与多种软件兼容，支持多种计算机平台；多达2 0 组的1 i 同材 料特性和表面处理；雨流循环计数：支持大多数知名有限元分析软件包等。 m s c f a t i g u e 可用于结构的初始裂纹分析、疲劳扩展分析、应力寿命分析、 焊接寿命分析、整体寿命预估分析、疲劳优化设计、振动疲劳分析等。同时， 该软件还拥有丰富的疲劳断裂相关材料库、疲劳载荷和时间历程库等，使用它 能够可视化疲劳分析的各类损伤，寿命结果。 并且m s c f a t i g u e 是在m s c s o f t w a r e 公司与英国n c o d e 国际公司紧密合作 的基础上发展起来的疲劳仿真分析软件系统。它本身可以作为独立软件使用， 也可以镶嵌在有限元分析软件m s c p a t r a n 中与有限元分析联合使用，这就为用 户提供了疲劳耐久性集成化仿真分析系统坩1 。 1 0 第三章新型多杆内燃机刚性体模型及动力学仿真 3 1 引言 第三章新型多杆内燃机刚性体模型及动力学仿真 本章将讨论用p r o e n g i n e e rw il d f i r e2 0 对内燃机的新型构件进行前期 建模，使用m e c h a n i s m p r o 模块建立刚性体系统，并将其导入a d a m s 中对新机构 进行运动学的仿真分析。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分析结果。 3 2 机构的定型 本机构原机为单缸四冲程水冷内燃机。排量2 2 4 m l ，气缸直径7 2 m ，活塞 行程6 0 m m ，压缩比为e = 1 0 ，最大功率1 5 k w 7 5 0 0 r p m ，最大扭矩2 2 n u l 5 5 0 0 r p m ， 最低燃油消耗率为3 6 7 9 k w h ，发动机怠速为1 5 0 0 r p m ，电启动，采用压力和飞 溅润滑。原机连杆长度为1 0 3 m m 。 新型多杆内燃机机构简图如图3 - 1 所示，通过对新型机构的设计和优化， 将其中上连杆长度定为7 8 m ，摆杆长度定为5 6 m m ，下连杆长度定为l o o m ；所 使用材料均为2 2 c r n i1 7 。 图3 - 1 新型多杆内燃机机构简图 3 3 基本构件3 d 模型的建立 本文采用p r o ew i1d f ir e2 0 作为c a d 系统平台进行多杆内燃机各部分零 第三章新型多杆内燃机刚性体模型及动力学仿真 件的建模和设计。根据多杆内燃机各个零件优化设计的结果确定每个零件的基 奉尺寸，并根据基本特征在p r o e 中建立出简易模型，其中包括基本的拉伸， 旋转，打孔等特征。基于每个零件的简易模型进行进一步细化，其中包括油道 的醺计和打孔，油槽的设计各个边、孔的倒角、圆角等。除运转所必须的三 个杆件之外，还必须做出不同杆件之间连接的各个销轴和轴套以保证机构能够 正常运转。图3 - 2 图3 - 3 分别为多杆内燃机机构的上连杆和摆杆的三维几何模 型n 们。 衫妒 倒3 - 2 上连针幽3 - 3 拦杆 34a d l m s 中刚性体仿真计算 341a d a m s 中的m e e h a n i s m p r o 模块 使用a d a m s 和p r o e 两个软件的接口模块m e c h a n i s m p r o 实现两个软件间 数据的传递。通过该模块可以将p r o e 与a d a m s 之间采用无缝连接的方式传递 数据，因此用户不必退出使用环境即可将装配结果直接导入a d a m s 中，从而顺 利地进行运动学仿真和各种计算。而对于在a d a m s 中的各个连接约束条件可咀 在两个软件中任意一个进行定义，均不会影响运转结果。同时该模块还可以自 动将构件的质量，材料信息等传递进入a d a m s ，给将要进行的动力学仿真分析带 来很大方便”。 在a d a m s 内进行的刚性体运动学分析基于刚体动力学假设，所有零部件均 称刚性体( r i g i db o d y ) ，在机构分析环境内称刚性体为对象( o b j e c t ) 。因此需 要在m e c h a n l s m p r o 模块中使用m e c l l p r o s e tu pm e c h a n i s m m i g i d b o d le s c r e a t e 定义各个零件为刚性体。 刚性体定义后使用m e c m p r o s e tu dm e c h a n is m c o n s t r a i n t s j o i n t c r e a t e 定义每个部件之间的约束条件，即连接副。最后导 入a d a m s 中。 第三章新型多杆内燃机刚性体模型及动力学仿真 3 4 2a d a m s 仿真计算 3 4 2 1 定义运动驱动器及施加载荷 要使机构按照一定规律运动，必须根据实际要求定义机构的运动驱动器， 另外还必须根据实际工况给机构施加载荷，方可进行动力学分析。 将驱动定义在曲轴和地面连接的旋转副上，根据原机模型设定曲轴转速为 一2 1 0 0 0 d 木t i m e 。 根据实际工况中活塞的负荷情况给机构加入载荷1 。我们可以用实际负荷 工况创建样条函数，作为一个可变的力施加给活塞。样条曲线的拟合可以通过 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。在此机构分析中采用 a k i s p l 样条插值函数，它的格式为： a k i s p l ( f i r s ti n d e p e n d e n tv a r i a b l e ，s e c o n di n d e p e n d e n tv a r i a b l e s o li n en a m e ，d e r i v a t i v eo r d e r ) 此函数按照a k i m a 插值方法进行微分运算，并返回一个样条线形数据。 f i r s ti n d e p e n d e n tv a r i a b l e ：代表样条中第一独立变量的实数变量( 必 需) ； s e c o n di n d e p e n d e n tv a r i a b l e ：代表样条中第二独立变量的实数变量( 可 选) 第一独立变量和第二独立变量共同组成一个曲面； s p l i n en a m e 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( 必需) ； d e r i v a t i v eo r d e r ：微分的阶次，可取0 ，1 ，2 ，分别代表不微分，一次微 分和二次微分。 通过计算可得到此机构中使用的样条插值函数，形如： a k i s p l ( m p r o _ m o d e l m e a _ a n g l e 一1 。0 ，s p l i n e _ 2 ，0 ) * 4 0 7 1 5 其中m p r o _ m o d e l m e aa n g l e1 为系统测量的曲轴转角，s p l i n e _ 2 是根据原 机运转示功图计算出来的样条曲线( 图3 - 4 ) 。 图3 - 4 样条曲线 1 3 第三章新型多杆内燃机刚性体模型及动力学仿真 3 422 定义仿真分析形式并执行仿真 此时a d a m s 中己经建立起完整的刚性体系统。我们规定仿真时间为 7 2 0 2 1 0 0 0 ，仿真步为7 2 0 步，执行仿真操作“。 35 剐性体系统仿真分析结果 a d a m s v i e w 中将刚性体系统进行仿真计算后即可在后处理模块 a d a m s p o s t p r o c e s s 中看到仿真分析结果。将所得结果与原机构计算数据相比 较，图3 5 图3 8 分别为新型机构与原机构活塞位移、速度、加速度以及侧向 力的比较图。图中实线是原机数据，虚线为新机数据。 蕊；i 萨鹱 = ，- - 1 一r 一i 图3 - 5 活塞位移对比 图3 _ 6 活塞速度对比 雾蒸运霞 图3 7 活塞加速度对比 图3 - 8 活塞侧向力对比 通过图中对于新型内燃机机构和传统曲轴连杆机构两者的比较井结合机构 的瞬时运动状况分析可以看到新型多杆机构内燃机有利于减小由于过高的侧向 压力引起的磨擦损失而有利于提高发动机的机械效率。 笫四章新型多杆内燃机柔性体模型及动力学仿真 第四章新型多杆内燃机柔性体模型及动力学仿真 4 1 引言 本章主要介绍柔性体的建立，柔性体系统的动态仿真，并将其结果与 之前的刚性体系统相比较，通过比较可以看出，采用柔性体的分析方法比 刚性体能够获得更准确的仿真分析结果，可以更精确地了解杆件在实际运 动过程中动力学参数和动态行为，从而获得更接近于实际的有限元分析受 力边界条件，提高系统仿真精度，这为之后的疲劳分析以及安全系数的估 算等打下了良好的基础。 基于柔性体分析系统的强大优势，进一步研究忽略对构件影响不大的 模态对于整体柔性体系统分析结果的影响，以及通过简化构件模型的方法 来简化柔性体仿真计算对于整体分析结果的影响和误差，从而得出柔性体 分析系统的简化方法。 4 2 柔性体仿真的基本原理和步骤 4 2 1 多体动力学的数学模型 a d a m s 里所有物体都定义成刚性体，建立刚性体系统，其理论基础是刚 体动力学( m u l t i b o d yd y n a m i c s ) ，这种刚性体系统忽略柔度( s t i f f n e s s ) 对运动的影响，分析过程比较简单，但往往这对于系统动力学分析是不够 的。对于含有较大位移运动的系统动力学分析，一般有限元软件无能为力， 但a d a m s 能够提供柔性体系统或刚柔耦合模型，此种模型对于动力学分析 是一种可行的解决方案。a d a m s 中柔性体可分为离散和模态两种形式u3 l 。 离散模式将柔性体以梁单元方式进行串接，梁单元数目越多结果就越接近 实际变形情况，这种方式仅适合于简单模型。而模态式柔性体是由外部有 限元软件产生的，可以适用于更加复杂的情况。 a d a m s 用刚体i 的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角( 或广义欧 拉角) 作为广义坐标，即q ，= b ，y ，z ，、l ，p ，f ，q = b j ，厶g ：r 采用拉格朗 日乘子法建立系统运动方程： 第四章新犁多杆内燃机柔性体模型及动力学仿真 丢( 豺一( 鼍) r 咖嗡t 删 ， 完整约束方程时：f ( q ，) = 0 ( 4 2 ) 非完整约束方程时：g ( q ，口，t ) = 0 ( 4 3 ) 其中t 是系统动能；q 是系统广义坐标矩阵；q 是广义力矩阵；p 是对 于完整约束的拉式乘子矩阵；m 是对于非完整约束的拉式乘子矩阵；口是系 统广义速度矩阵。 4 2 2 模态叠加合成理论 a d a m s 之所以能够根据不同外力状态适时反映出正确的变形结果，是由 于其使用了“模态叠加理论”。由f e a 有限元计算出e i g e n v a l u e s 、 e i g e n v e c o r 、m o d es h a p e s ，由模态叠加关系式( 4 - 4 ) 运算得到变形量材， 故模态式柔性体适用于线性结构受力行为 ”= 中。口。 ( 4 4 ) 其中q 是振幅比例因子，m 是模态数目，是m o d es h a p e s 。 4 2 3a d 删s vie w 中柔性体仿真的基本步骤 在a d a m s v i e w 中使用并建立柔性体并进行仿真有以下几个步骤u 制： ( 1 ) 在有限元分析软件中为各部件划分网格，并生成模态中性文件 ( 删f 文件) 。 ( 2 ) 将模态中性文件引入a d a m s v i e , 中，用心f 文件替代原来的刚 性体文件，并对其进行一定设置，包括添加约束使其与其他部件相连接， 设定柔性体用于仿真计算的所需模态，观察各阶模态中柔性体的变形情况 等。 ( 3 ) 进行模型计算，即对于多柔性体系统进行仿真模拟计算。 ( 4 ) 观察计算结果，仿真计算后，可以通过a d a m s p o s t p r o c e s s 观察 到动画显示的多种应力变化，以及机构运转计算出的速度、加速度、受力 等数据，并可以将各部分数据输出，作为以后各项分析的边界条件。 第四章新型多杆内燃机柔性体模型及动力学仿真 43 柔性体多体模型的建立及计算 本节主要介绍利用有限元分析软件m s cp a t