LMS VirtualLab Motion发动机解决方案

1、LMS Virtual.Lab的发动机多体动力学仿真解决方案目录1 LMS Virtual.Lab虚拟仿真平台32 LMS Virtual.Lab Motion介绍43 LMS Virtual.Lab Motion软件特点74 LMS Virtual.Lab发动机仿真解决方案144.1 解决方案概述144.2 发动机专用功能模块介绍174.2.1 考虑自身质量的螺旋弹簧建模174.2.2 转速计和燃烧单元174.2.3 凸轮接触面定义184.2.4 液压间隙调节装置184.2.5 弹性液动轴承194.2.6 活塞润滑194.2.7 正时链（带）传动204.2.8 齿轮传动215 参考用户221

2、 LMS Virtual.Lab虚拟仿真平台 LMS Virtual.Lab虚拟试验室提供功能品质工程的集成解决方案。提供一套集成软件包用以模拟机械系统的品质属性，如结构完整性、振动噪声、耐久性、系统动力学特性、驾驶的平顺性及操纵的稳定性等等。LMS Virtual.Lab包括所有关键过程步骤及所需的技术，可以远在进行昂贵的加工和实物试验之前对每个关键属性进行从头到尾的评价。采用LMS Virtual.Lab，设计部门能够快速有效地分析多个设计方案，使设计方案的选择主要从关键品质属性的角度出发。LMS Virtual.Lab基于达索公司的PLM开放式软件平台CAA V5，内嵌完备的Catia

3、CAD建模功能。l 结构分析软件包Virtual.Lab Structures LMS Virutal.Lab Structural Analysis 使得我们的设计工程师可以完全在CATIA V5的基础上完成有限元网格的前处理分析。使得CAD数据和分析数据参数化全相关，由于Virtual.Lab数据格式和CATIA数据格式完全一致。使用Virutal.Lab Structural 我们可以随时直接修改CAD几何参数，分析结果就会相应的自动改变。这样就能够节省设计和分析工程师大量的时间，同时消除了CAD和CAE数据之间的不相关问题，软件在AIRBUS、BOEING得到了广泛的使用。l 多体分析

4、软件包Virtual.Lab Motion LMS Virtual.Lab运动学和动力学软件用于模拟各种机械系统的实际运动和载荷。它使工程师可以快速地分析和优化其机械设计的实际运动，并保证在进行实物试验前，设计方案和预期的结果一样。参数化的应用模板和优秀的求解器进一步为虚拟原型设计提高了效率。l 疲劳分析软件包Virtual.Lab Durability LMS Virtual.Lab耐久性软件可以帮助工程师预测疲劳热点和相关部件及子系统的疲劳寿命。它将动态部件载荷与从结构有限元模态和材料的SN曲线相结合，耐久性后处理模块帮助工程师获得危险区域的反馈，了解疲劳问题的根源，从而快速评价多个设计方

5、案。LMS公司使系统级耐久性分析成为可能，并付诸实践。l 声学分析软件包Virtual.Lab Acoustic LMS SYSNOISE技术突破大大加速了声学仿真的速度很多情况下快100倍。通过将SYSNOISE技术集成到LMS Virtual.Lab，LMS创建了世界上第一个从头到尾的声学品质工程环境，从概念开发，通过使用虚拟模型进行设计修改，最后到基于试验的验证。l 振动和混合仿真Virtual.Lab NVM利用LMS Virtual.Lab NVM模块，读入各部件（或声学路径）的动力学模型（有限元模型、模态试验模态、试验传递函数），在图形界面上交互式定义各部件之间的装配点，将各部件模

6、型装配成系统级模型。装配点处可定义为刚性连接、随频率变化的弹簧阻尼装置等。基于FRF（或模态）的子结构综合技术，求解出系统级模型上响应点与激励点之间的FRF，从而求解出强迫振动（噪声）响应，而求解规模和时间比传统有限元模型节省的多。l 优化设计软件包Virtual.Lab OptimizationLMS Virtual.Lab可以提供一整套强大的优化功能，用于单属性和多属性优化。通过试验设计（Design of Experiments）和响应表面建模（Response Surface Modeling）技术，工程师能够快速检测出所有满足需要的设计方案。采用先进的优化算法，包括6 Sigma方法

7、，进行鲁棒性、可靠性分析.2 LMS Virtual.Lab Motion介绍LMS Virtual.Lab Motion基于计算多体系统动力学建模理论及计算方法研究，是专门为模拟机械系统的真实运动和载荷而设计的，可作为力学教学辅助工具。它提供了有效的方法可以快速创建和改进多体模型，有效地重复使用CAD和有限元模型，并能快速反复模拟评价多种设计方案的性能。工程师可以在早期的开发阶段利用灵活可调的模型进行概念上的运动学和动力学研究，并在后续阶段中结合试验数据进行更具体的评估。用户通过软件用户交互界面输入描述机械系统的最基本数据，软件建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，并利用内嵌的处理

8、数学模型的计算方法和数值积分方法自动进行程式化处理，得到运动学规律和动力学响应。同时能实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表或其它方式提供数据处理结果。总之， LMS Virtual.Lab Motion可以帮助工程师评价复杂机械系统的真实性能，为结构分析、耐久性和振动噪声研究提供精确的载荷，同时还能在样机试验前分析和优化机械系统的真实性能。轻松的机械建模LMS Virtual.Lab使工程部门能快速地创建和改进虚拟样机模型。采用LMS Virtual.Lab Motion，用户可以从头开始创建概念模型，导入CAD部件和总成或使用已存在的多体模型。高性能设计功能加速了部件和建模的装配。当创建

9、运动副时，需要连接的部件会自动地连接在一起。并且当修改一个部件的尺寸时，LMS Virtual.Lab Motion会自动更新整个系统。 基于CATIA V5实体建模器的单个部件的设计 质量数据、连接和边界条件完全与几何体结合 提供与CATIA, I-DEAS, Pro/E, UG及其它主流CAD软件包的接口 轻松导入LMS DADS与MSC.ADAMS模型模拟真实性能LMS Virtual.Lab Motion提供一切工具，精确模拟系统在真实加载条件下的性能。用户可以轻松地从机构模型库里面挑选单元，精确地模拟摩擦力、重力、弹簧刚度、断续接触、部件弹性及其它物理量。由LMS Virtual.L

10、ab Motion预测的运动和内部载荷是指导部件、连接、发动机和作动器设计的基本条件。稳定和高性能的求解器保证了甚至最复杂动力学问题的精确和及时的处理。 基于LMS DADS求解器，因其精确性和稳定性闻名 包括运动学、动力学、准静态和预载分析 计算力、位移、速度和加速度结果显示及说明以不同显示形式显示的模拟结果使同事和用户可以准确地展开设计，并做出正确的工程决策。同步的二维图和三维动画显示，直接把力和加速度的极值与机构位置相对应。专门的后处理功能可以帮助工程师轻松地识别和有效地解决工程问题。 基于细致CAD模型的碰撞检测 运动包络线和力矢量的动画显示 结合位移和应力的动画显示 快速的模型验证L

11、MS Virtual.Lab Motion软件提供了一个有效和反复的相关性和验证过程。它具有调节模型参数值的功能，并能通过更复杂建模单元的定义推进模型的设计深度。通过把试验数据和仿真模型相结合，可以加强模型的质量。当改变一个参数时，LMS Virtual.Lab Motion自动更新所有有关的分析结果和管理所有需要的数据运算。有效的设计空间探索LMS Virtual.Lab Motion能够以很高的自动化方式针对不同的设计选择和不同的步骤进行完全的运动模拟过程。LMS Virtual.Lab Motion消除了管理任务，避免了错误的发生并能进行自动的连续分析。不同的参数设置无缝地贯穿完整的运动

12、模拟过程。这些自动化的参数化分析使工程师能快速地探索设计空间。3 LMS Virtual.Lab Motion软件特点1) LMS Virtual.Lab Motion基于CATIA V5的平台，具有完备的CAD建模功能，是市面上唯一一家Catia与机械系统分析完全集成的多体动力学分析软件。当在LMS Virtual.Lab Motion中建立模型时，工程师可以直接导入或建立不同零件的细节化CAD模型或几何框架，创建构件之间的约束和连接关系，确保能正确描述整个系统运动学性能。之后工程师通过考虑机构的动力学特性对模型及其边界环境进一步进行定义，以准确预测系统中的时域载荷。此时除定义刚度、阻尼、接

13、触和摩擦等部件间作用力之外，还要给定重力、质量、及惯量等。作用力的施加可以通过一系列数学模型实现，例如弹簧力、阻尼力、衬套力以及和周围环境密切相关的接触力。简单的力单元如基本弹簧，复杂的如精细轮胎等。2) 深入精细建模，独特的刚柔耦合分析功能基本多体模型建立后，可以通过更为详细的受力描述对其细化。例如，当一个结构的刚度不足以将其视为刚体时，工程师可以用柔性体来描述该结构。通过预先计算好的模态振型，可以得到结构在大的外载荷作用下产生的变形。模态数据可以由结构本身仿真得到，或导入外部的试验数据。起媒介作用的长柔性体如悬架稳定杆或风力涡轮机叶片等，可自动分解为多个梁的组合结构，用于计算结构受载时总的

14、非线性变形。LMS Virtual.Lab Motion多体动力学软件中有对轮胎力、衬套力、弹性体接触、齿轮接触、梁、发动机、燃烧载荷、液力轴承、空气动力等多种复杂力学模型的详细建模模板。Virtual.Lab Motion独特的刚柔耦合分析功能，直接在Virtual. Lab用GPS模块划分网格，编辑网格，计算结构模态亦可后台驱动Nastran和Ansys求解结构模态，能够准确方便的将有限元模型与刚体模型耦合在一起，形成刚柔混合的多体动力学模型。3) LMS Virtual.Lab Motion强大的接触分析能力有丰富的接触类型来满足工程上快速求解复杂接触问题的需求。除了可以定义各种接触类型

15、如点对点、点对拉伸面、拉伸面对旋转面等，对于复杂几何体之间的接触，还可以通过定义有效接触面来大大提高接触分析的效率。支持刚性接触，刚柔接触和柔柔接触的建模和仿真。4) LMS Virtual.Lab Motion求解器将经典分析力学求解方法和自递归的求解方法和二为一我们知道，自递归求解器对于有大量重复物体的机构的求解具有求解速度快、求解稳定的优势。但是对于复杂拓扑构型的机构，经典的分析力学求解器占有优势。LMS Virtual.Lab Motion的求解器将经典分析力学求解方法和自递归的求解方法和二为一，取两家之长，扬长避短，在保证精度的同时，大大提高了各种复杂机械系统的求解速度。5) 稳定快

16、速的求解及丰富的后处理功能模型建立后，工程师可进行求解并同时用动画和图表等方式查看结果，从而更好的理解模型行为。工程师可以方便地改进原有设计使结构满足目标性能要求，包括载荷和应力指标等等。6) 机-电-液一体化联合仿真LMS Virtual.Lab Motion 与主流的控制软件 AMESim, Matlab, DS Plus等均有很好的接口，能进行1D与3D相结合的仿真。特别是与AMESim的接口，非常完善。当模型包含液压、作动器、电磁等非常明确且详细的控制和力的作用时，工程师可利用包含在LMS Virtual.Lab 和LMS Imagine.Lab （AMESim）中完备的机电分析功能进

17、行联合仿真。ForceDisplacementVelocityActuatorSensorLMS Virtual.Lab Motion7) 专业的应用模块和子机构装配功能LMS Virtual.Lab Motion拥有专用设计模块，这些模块能够帮助使用者提高效率，快速建立所需的专业详细模型，这大大缩短了手工建模的时间。专用设计模块界面位于LMS Virtual.Lab Motion用户交互界面之上，工程师可用其进行专业模型建模以及分析工况的设置。除专用设计模块外，使用LMS Virtual.Lab Motion可以将现有子机构装配成一个系统。通过这种方法，公司中的子系统设计部门可以在保持系统级

18、协同的同时进行独立工作。8) LMS Virtual.Lab是一个用以模拟机械系统品质属性的集成平台，实现了多体动力学仿真和优化以及振动噪声等模块之间的无缝连接。 LMS Virtual.Lab提供进行多属性仿真的无缝集成环境。结合LMS Virtual.Lab Motion和LMS Virtual.Lab Optimization，可对多体动力学模型进行优化。优化设计变量涵盖CAD模型设计尺寸参数到CAE模型中的各种力学参数；结合LMS Virtual.Lab Motion和LMS Virtual.Lab Durability可进行系统级疲劳分析，多体仿真得到的载荷数据程序自动匹配并导入疲劳

19、分析模块中。使用者可直接利用匹配好的载荷数据进行结构的疲劳分析；LMS Virtual.Lab Motion创建的模型可以直接导入到LMS Virtual.Lab NVM中进行机构的振动分析，分析结构进而可作为边界条件在LMS Virtual.Lab Acoustic中进一步对结构进行噪声分析。 在LMS Virtual.Lab Motion中，从CAD模型的长度尺寸到CAE模型中的各种力学参数，都可以被定义成Optimization中的设计变量进行优化，大大缩减典型工程设计过程中大部分的非增值时间。 此外，通过设计桌面和配置功能来实现模型参数的设置和修改，既节省时间，又防止在文件调用和更新中

20、出错，使工程师可以将更多的时间花在实际分析阶段而非建模阶段。9) 基于VBA的二次开发功能利用LMS Virtual.Lab Motion中基于VBA的日志和脚本功能，可对任意操作过程进行记录和复现。基于VBA的二次开发功能是LMS Virtual.Lab Motion的另一个突出优点。通过该功能，工程师在LMS Virtual.Lab Motion框架内部或上层建立专用的功能菜单或操作界面和模板。从而实现对某一特定功能的操作流程进行定制，并集成到特有的操作界面和模板上。通过基于VBA的二次开发功能，不仅可以避免大量重复性工作，缩短产品开发时间；同时使得建模仿真过程的重心由当前设计的性能分析转

21、移到总体设计的性能优化上来。10) 结合测试数据进行更真实的仿真LMS Virtual.Lab Motion与测试结果相结合，能将模态测试的模型直接用于多体仿真。测试数据是积累的宝贵财富，在仿真中充分利用测试的模态模型，测试的力，测试的联结刚度等均可用于多体仿真。4 LMS Virtual.Lab发动机仿真解决方案4.1 解决方案概述 LMS Virtual.Lab 为发动机建模提供完备的建模模板PDS（Powertrain Dynamic Simulator）。该模板中集合了众多发动机建模和仿真需要的工具和专业特征库，使得创建详细发动机仿真模型过程更为快速便捷。通过PDS模板创建的发动机模型

22、可以很方便的导入LMS Virtual.Lab Motion，软件根据PDS中定义的模型信息自动创建完整发动机多体动力学模型。PDS中定义的各种参数都对应转换为LMS Virtual.Lab Motion中的参数，并列举在特征树上。当模型导入LMS Virtual.Lab Motion中之后，可以随意对模型进行进一步的操作。由于模型可以在一个功能丰富、通用的环境（LMS Virtual.Lab Motion）中进行编辑修改，克服了该类建模模板的传统局限。CrankTrainTimingBeltTimingChainAccDriveGearTrainValveTrainPDSVirtual.La

23、bMotion PDS发动机建模模板 完整的发动机模型或者任意单独构件都可通过速度扫速单元（speed-sweep element）定义驱动，完成升速分析（run-up）。升速过程可以定义为连续的（角度或随时间变化的转动输入）或者不连续的。结果数据可以通过数字信号处理功能（Digital Signal Processing）进行处理，得到其频谱的瀑布图或阶次截图。标准和专用的后处理功能让用户更好更快的理解仿真结果和系统的行为。新增的曲线图功能包括扭振测量、极坐标图、轨道图、和三维瀑布线图，可投影得到单个RPM或单个频率上的频谱。 由于LMS Virtual.Lab提供进行多属性仿真的无缝集成环

24、境。结合LMS Virtual.Lab Motion和LMS Virtual.Lab Optimization，可对多体动力学模型进行优化。优化设计变量涵盖CAD模型设计尺寸参数到CAE模型中的各种力学参数；结合LMS Virtual.Lab Motion和LMS Virtual.Lab Durability可进行系统级疲劳分析，多体仿真得到的载荷数据程序自动匹配并导入疲劳分析模块中。使用者可直接利用匹配好的载荷数据进行结构的疲劳分析；LMS Virtual.Lab Motion创建的模型可以直接导入到LMS Virtual.Lab NVM中进行机构的振动分析，分析结构进而可作为边界条件在LM

25、S Virtual.Lab Acoustic中进一步对结构进行噪声分析。 LMS Virtual.Lab AcousticsLMS Virtual.LabCAD InterfacesLMS Virtual.Lab MotionLMS Virtual.LabFE DriversLMS Virtual.Lab DurabilityLMS Virtual.Lab PowertrainLMS Virtual.Lab多学科仿真平台 结合LMS Virtual.Lab Motion, LMS Virtual.Lab NVM以及LMS Virtual.Lab Acoustic，可进行发动机从多体到声学的系统

26、级建模和仿真。所有的数据通过软件平台自动转换，大大节省建模时间。可实现快速对各种设计进行评估。发动机从多体到声学系统级仿真流程4.2 发动机专用功能模块介绍4.2.1 考虑自身质量的螺旋弹簧建模 PDS中提供螺旋弹簧建模单元。通过螺旋弹簧单元创建的模型，可精确捕获实际工程应用中，特别是在汽车的气门机构系统，弹簧元件的复杂动力学行为。弹簧的分布质量通过用约束副连接起来的柔性体表征。可以使用任何螺旋轨迹来形成蜂窝状和锥状等形状。高级螺旋弹簧4.2.2 转速计和燃烧单元 曲柄连杆机构模块支持多种直列式和V型曲柄连杆机构的建模和仿真。结合使用转速计和燃烧单元，可使得燃烧负荷的前处理和后处理过程变得简单

27、易懂。通过转速计单元可测量当前的曲柄转角和转速（RPM）。燃烧单元涉及燃烧压力面数据。可通过输入燃烧室气体压力数据，将燃烧爆发压力施加在活塞、缸体和气门机构上。燃烧单元&转速计4.2.3 凸轮接触面定义 在模板中定义气门机构建模参数，自动创建和装配气门机构多体动力学模型。凸轮机构模块可将已有的阀门运动数据转换为凸轮轮廓数据。凸轮接触单元根据凸轮轮廓数据直接生成平滑的接触面。对凸轮接触过程进行精确模拟。 凸轮接触4.2.4 液压间隙调节装置 液压间隙调节装置是用来避免气门机构中出现过大间隙和磨损。类似的机制也被用于正时传动系统，使得皮带或链条维持稳定的张紧力，避免出现不期望的振动。Piston Diameter DWidth h ofannular gapLength L ofannular gapHigh PressureChamberPistonAxisSystemHousingAxisSystem液压间隙调节装置(HLA/HVL)4.2.5 弹性液动轴承 弹性液动轴承模块使得用户可以分析对中和不对情况下液动流体膜径向轴承的性能。常见的应该包括发动机曲柄连杆机构中的轴颈轴承，例如：主轴颈、曲柄销、十字头销轴承。在求解过程中，弹性液动轴承模块求得轴承中高度非线性的油膜压力分