活塞连杆机构运动分析及活塞结构优化.pdf

虚拟与仿真 Db Da K ya yb 14 联立式 6 式 14 即得同步系统的 1 组线性 状态方程 设 X1 ya X2 ya X3 yb X4 yb X5 pa2 X6 pb2 U D0 ps Fa Fb T Y ya yb y T 则 系统的状态空间方程可表示为 X AX BU Y CX 15 4 结束语 通过建立的高速开关阀单阀直接控制同步系统 的数学模型 同时还可建立多阀直控式同步系统的 数学模型 为随后开展的系统仿真分析和控制策略 的研究提供了基础 参考文献 1 何 谦 刘 忠 高速开关阀直控式闭环液压同步系统 J 制造技术与机床 2010 7 114 116 2 李先允 现代控制理论基础 M 北京 机械工业出版 社 2007 3 苏东海 韩国惠 等 液压同步控制系统及其应用 J 沈阳工业大学学报 2005 4 364 367 作者简介 何 谦 1971 男 湖南道县人 博士研究生 副教授 研究方向为机电系统设计与仿真 活塞连杆机构运动分析及活塞结构优化 王 东 1 田北平 1 陈 敏2 1 四川理工学院建筑工程学院 四川 资中 643000 2 四川理工学院机械工程学院 四川 资中 643000 Analysis of Motion of Piston Linkage M echanism and the Pistons of Structural Optimization WANG Dong 1 TIAN Be i ping1 CHEN Min2 1 School of Architecture Engineering Sichuan University of Science and Engineering Zigong 643000 China 2 School of Mechanical Engineering Sichuan University of Science and Engineering Zizhong 643000 China 摘要 活塞连杆机构是内燃机的动力传递部件 设计质量的好坏直接关系到整台机器的运行 而活 塞承受交变的机械载荷和热载荷作用 是活塞连杆 机构中工作条件最恶劣的零件 分别应用 Pro Mechanism 和Pro Mechanica 对活塞连杆机构进行 运动分析 确定活塞危险应力及应力集中位置 并对 活塞结构进行了优化设计 该方法对于提高活塞连 杆机构的设计质量 延长产品使用寿命 具有重要的 作用 关键词 活塞连杆机构 运动分析 优化设计 Pro Mechanism Pro Mechanica 中图分类号 T H112 文献标识码 A 文章编号 1001 2257 2011 01 0070 04 收稿日期 2010 09 06 Abstract The piston linkage mechanism trans fer the driving force of the interna l combustion en gine the quality of design is directly related to the operation of the machine while the piston bear a l ternating mechanical load and heat load it is the part of the most bad working conditions The pis ton linkage mechanism motion analysis application Pro Mechanism and Pro Mechanica proceeded the motion analysis of the piston linkage mechanism determine the position of dangerous stress and the stress concentration of the piston optimize the structure of the piston T he method improved the design quality of piston linkage mechanism pro longed the service life of the product it has an im portant role Key words piston linkage mechanism motion analysis optimization design Pro Mechanism Pro Mechanica 0 引言 活塞连杆机构是内燃机的主要运动 工作部件 70 5机械与电子62011 1 活塞连杆机构运动分析及活塞结构优化虚拟与仿真 由活塞 连杆和曲轴组成曲柄滑块机构 其功能是将 燃料燃烧后产生的热能转化为机械能 活塞的功用 是承受气体压力 并通过活塞销传给连杆 驱动曲轴 旋转 1 活塞直接与高温气体接触 顶部承受巨大 的气体压力 在高温 高压和润滑不良的恶劣条件下 工作 容易发生故障 所以对活塞连杆机构进行运 动分析 求出活塞的位移 速度和加速度 活塞行程 与汽缸容积之间的关系 检验零件之间的运动是否 会发生干涉 干涉的体积有多大 然后根据运动及受 载情况对活塞结构进行优化设计是十分必要的 1 基于 Pro Mechanism 的活塞连杆 机构运动分析 1 1 活塞连杆机构运动特性数学模型 将活塞连杆机构简化为曲柄滑块机构 其运动 如图 1 所示 则活塞与连杆铰接点 B 的位移 速度 和加速度规律反映了活塞的运动特性 图 1 曲柄滑块机构运动 设曲轴 OA 长为R 转速为 X 连杆 A B 长为L 当曲轴转角为 H时 根据图 1 中的几何关系 得 B 点 的位移变化规律为 s RcosH L1 R L sinH 2 将上式分别对时间 t 求一阶导数和二阶导数 得到活塞的速度和加速度为 v ds dt XR sinH R 2L1 RsinH L 2sin2H U XR sinH R 2L sin2H a dv dt U RX 2 cosH R L cos2H 故活塞的运动特性是连杆长度 曲轴长度 曲轴 转角和转速的函数 1 2 Pro Mechanism 机构运动仿真工作流程 基于 Pro Mechanism 的机构运动仿真 是通过 对机构添加运动副 使其随伺服电动机一起移动 在 不考虑作用于机构上的力的情况下 分析其运动 使用运动分析可动态观察机构的运动 测量构件的 位置 速度和加速度 并用图形表示 创建轨迹曲线 或运动包络 机构运动仿真工作流程如图 2 所示 图 2 运动仿真工作流程 1 3 活塞连杆机构运动仿真 进行机构运动仿真的前提是创建机构 创建机 构与零件装配都是在组件模式下将单个零件装成一 个完整的模型 2 创建机构是应用连接功能连接机 构中的各构件 而零件装配是通过定义装配约束来 安装各零部件 由零件装配得到装配体 其内部的零 件之间没有相对运动 而由连接得到机构 构件之间 具有一定的自由度 在添加适当的驱动伺服电动机 以后 构件之间可以产生一定的相对运动 a 建立组件文件 进入装配模块 正确定义各 零件间的连接形式 连接完成后的活塞连杆机构虚 拟样机如图 3 所示 进入 Pro Mechanism 模块 通 过拖动的方式对机构的运动进行检测 如果拖动过 程中 机构的运动与设计意图相同 则进行机构的运 动分析 否则 需要重新编辑机构之间的连接形式 直到通过拖动检测出机构的运动与设计意图相 同 3 图 3 活塞连杆机构虚拟模型 71 5机械与电子62011 1 虚拟与仿真 活塞连杆机构运动分析及活塞结构优化 b 创建伺服电动机 机构具有确定运动的条件 是机构的自由度等于原动件数 所以 机构具有几个 自由度 就需要创建几个伺服电动机来驱动 活塞 连杆机构只有一个自由度 因此需要创建一个伺服 电动机 选择基座与曲轴的销钉连接轴作为伺服电 动机的驱动对象 定义伺服电动机的模为常数 A 360 完成伺服电动机的创建 c 创建快照 拖动滑块到达上下死点位置 各 建立一个快照 为了分析滑块的位移 速度和加速 度特性 在建立分析任务之前首先必须建立曲轴轴 线到滑块顶面之间的距离测量特性 d 机构分析定义 选择运动学选项为分析类 型 设置终止时间为 20 s 的 AnalysisDefinition1 分 析结果集 e 获取分析结果 在测量结果对话框中创建位 移 速度和加速度测量 选中 AnalysisDefinition1 为 结果集 绘制选定结果集所选测量的图形如图 4 所 示 得到活塞的位移 速度和加速度曲线 图 4 活塞运动特性曲线 通过活塞连杆机构的运动仿真分析 绘制了精 确的活塞位移 速度和加速度曲线 与活塞连杆机构 数学模型运动分析理论计算结果完全一致 满足设 计要求 2 基于 Pro Mechanica 的活塞结构 优化 Pro Mechanica 是集静态 动态结构分析于一 体的有限元模块 为零件施加真实工作环境下的约 束及载荷 计算出应力 应变和位移等参数 实现静 态 翘曲 疲劳 频率 振动和热力学等分析 通过指 定设计参数 能够在给定结构参数变化范围内进行 敏感度分析 4 将设计问题的理学特性与数值分析 相结合 把高度非线性问题转化为一系列近似的带 状显示约束问题 通过数学优化方法为零件结构寻 找到最优参数 结构优化分析流程如图 5 所示 图 5 结构优化分析流程 活塞 结 构 优 化 设 计 的条 件 活 塞 材 料 为 AL6061合金铝 抗张屈服应力为 240 MPa 抗张极 限强度为 290 MPa 疲劳强度为 95 MPa 热传导系 数为 167 W m e 活塞顶部承受 2 500 K 9 MPa 高温气体载荷作用 活塞往返运行 10 106 次 进行活塞结构优化分析时 在保证分析精度的前 提下 应将不影响分析结果的特征进行简化 尽量不 出现锐角等难以网格化的结构缺陷 考虑到活塞几 何造型及承受载荷的对称性 取活塞零件模型的四 分之一作为分析模型 这样既可以简化计算过程又 可以得到可信的分析结果 2 1 建立活塞分析模型 根据结构优化分析要求简化活塞模型 选择菜 单栏的 应用程序 P Mechanica M 命令 进入 到 Pro Mechanica 模块 按照结构优化条件为分析 模型分配材料 定义约束 创建载荷 完成活塞优化 分析之前的准备工作 2 2 结构分析及热力学分析 结构分析及热力学分析是在零件材料 约束及 载荷已知的情况下 分析零件结构的可靠性 为零件 结构优化设计研究作准备 结构分析和热力学分析 的分析步骤完全相同 都是按照 定义分析任务 y 分析计算 y 输出分析结果 的过程进行 下面 以静态分析为例 来说明结构分析及热力学分析的 方法 a 选择菜单栏的 分析 A y Mechanica 分 析 研究 E 命令 系统弹出 Analyses and De sign Studies 对话框 b 在 Analyses and Design Studies 对话框中 选择菜单栏的 File y New static analysis 命令 系统弹出 Static Analysis Definition 对话框 c 在 Static Analysis Definition 对话框中选择 设置好的约束集 ConstrainSet1 和载荷集 Load Set1 勾选输出选项 Output 的 Strrsses Rota 72 5机械与电子62011 1 活塞连杆机构运动分析及活塞结构优化虚拟与仿真 tions 和 Reactions 选项 单击 Start Run 按钮 进 行静态分析计算 d 单击查看设计研究或有限元分析结果按钮 Review results of a Design Study or Finite Ele ment analysis 设置显示类型及变量 即可获得分 析结果 活塞静态分析和模态分析变形条纹如图 6 所 示 疲劳分析日志破坏如图 7 所示 其它分析过程从 略 通过分析可以得出结论 活塞在工作过程中 危 险应力位置在活塞销座上表面的内侧边缘 活塞销 座内侧边缘存在局部应力集中现象 该处为活塞可 能发生失效的位置 2 3 活塞结构优化设计 优化设计是求解分析模型上指定的各个参数在 满足必要的约束条件时 使定义的目标函数取得极 值时的最优值 优化设计包含了标准设计和敏感度 分析 5 通过敏感度分析得到影响模型应力 应变 的参数尺寸范围 最后通过优化设计得到最佳尺寸 活塞结构优化设计的要求为 模型内部最大应 力不超过 95 MPa 满足安全性要求 优化活塞顶部 厚度和桶壁厚度尺寸参数 使活塞材料最省 a 按照活塞结构优化设计要求建立优化设计数 学模型 确定设计变量为活塞顶部厚度和桶壁厚度 尺寸参数 约束条件是工程实际对设计变量取值范 围的限制条件 模型内部最大应力不超过 95 MPpa 目标函数是活塞重量最轻 b 定义优化设计研究 在 目标 选项中设定活 塞质量为最小 在 设计极限 选项中选择 max stress vm 值为 95 从模型中选取设计变量为活塞 顶部厚度 d1和桶壁厚度 d10 c 运行优化程序 获取优化结果并用优化参数 升级模型 从 Review results of a Design Study or Finite Element analysis 中得到设计变量的最优值 活塞顶部厚度 d1 2 450 26 mm 桶壁厚度 d10 2 1 825 57 mm 活塞结构得到优化 尺寸分布更加 合理 3 结束语 应用 Pro Mechanism 对活塞连杆机构进行运 动仿真 能快速准确地绘制曲轴任意转角时对应的 活塞位移 速度和加速度运动特性曲线 判断其运动 是