多体动力学在车用发动机上的应用优秀课件.ppt

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1、多体动力学在车用发动机上的应用第1页，本讲稿共43页多体系统动力学在车用发动机上的应用张保成第2页，本讲稿共43页本次报告的内容及目的动力学的发展历史、研究范围及意义动力学的分类及理论基础多体系统动力学在车用发动机上的应用多体系统动力学在其他方面的应用及展望第3页，本讲稿共43页动力学的研究范围及意义 动力学的研究可谓广泛，小到微观世界分子原子间的运动及作用力，大到宏观世界飞机、坦克、大炮、天体运行；近到地球上人们的衣食住行，远到勇气号的火星探测，乃至宇宙中星系间的碰撞问题，无不是动力学涵盖的范围。第4页，本讲稿共43页动力学的发展历史16871687年，牛顿在年，牛顿在自然哲学的数学原理自然

2、哲学的数学原理中的三条运中的三条运动定律，奠定了经典力学的基础动定律，奠定了经典力学的基础最早的工作是最早的工作是H.J.FletcherH.J.Fletcher等人在等人在19631963年讨论的由两年讨论的由两个刚体组成的系统，使用的是向量力学中的个刚体组成的系统，使用的是向量力学中的Newton-EulerNewton-Euler法法多柔体系统动力学的研究开展得略晚一点。早期有多柔体系统动力学的研究开展得略晚一点。早期有P.W.LikinsP.W.Likins 在在7070年代初的研究工作，他采用的是混年代初的研究工作，他采用的是混合坐标，后来被称为多柔体族系统合坐标，后来被称为多柔体族

3、系统。第5页，本讲稿共43页经典动力学牛顿三大定律能量、角动量和动量的变化规律及其守恒规律能量、角动量和动量的变化规律及其守恒规律 动能定理：动能定理：柯尼希定理：柯尼希定理：(Konigs theorem)(Konigs theorem)第6页，本讲稿共43页经典动力学 角动量定理角动量定理 动量定理动量定理虚位移原理达朗伯尔原理受理想约束的质点系不含受理想约束的质点系不含约束力的平衡方程约束力的平衡方程 提供了求解动力学问题的提供了求解动力学问题的另一种方法另一种方法,即将动力学的即将动力学的问题在形式上化为静力学问题在形式上化为静力学的问题来进行求解的问题来进行求解 第7页，本讲稿共43

4、页经典动力学拉格朗日方程动力学普遍方程在广义坐动力学普遍方程在广义坐标下的具体表现形式标下的具体表现形式 第8页，本讲稿共43页经典动力学哈密顿正则方程第9页，本讲稿共43页多刚体系统动力学 多体系统动力学：包括多刚体系统动力学和多体系统动力学：包括多刚体系统动力学和多柔体系统动力学。多柔体系统动力学。多体系统动力学是研究多体系统（一般由若多体系统动力学是研究多体系统（一般由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规干个柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学。律的科学。20世纪世纪世纪世纪60年代，古典的刚体力学、分析力年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支学与计算机相结

5、合的力学分支多体系统动多体系统动力学在社会生产实际需要的推动下产生了。力学在社会生产实际需要的推动下产生了。第10页，本讲稿共43页多刚体系统动力学其主要任务是：其主要任务是：其主要任务是：其主要任务是：1.1.建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，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开发实现这个数学模型的软件系统，用户只需

6、输入描述系统的最基本数据，借助计算机就能自动进行程式化的处理；的最基本数据，借助计算机就能自动进行程式化的处理；的最基本数据，借助计算机就能自动进行程式化的处理；的最基本数据，借助计算机就能自动进行程式化的处理；2.2.开发和实现有效的处理数学模型的计算机方法与数值积分方开发和实现有效的处理数学模型的计算机方法与数值积分方开发和实现有效的处理数学模型的计算机方法与数值积分方开发和实现有效的处理数学模型的计算机方法与数值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应；法，自动得到运动学规律和动力学响应；法，自动得到运动学规律和动力学响应；法，自动得到运动学规律和动力学响应；3.3.实现有效的数据后处理

7、，采用动画显示，图表或其他方式实现有效的数据后处理，采用动画显示，图表或其他方式实现有效的数据后处理，采用动画显示，图表或其他方式实现有效的数据后处理，采用动画显示，图表或其他方式提供数据处理结果。提供数据处理结果。提供数据处理结果。提供数据处理结果。目前多体动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主要目前多体动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主要目前多体动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主要目前多体动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方法、有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方法、有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学

8、的方法、有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方法、以牛顿以牛顿以牛顿以牛顿-欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。方法等。方法等。方法等。第11页，本讲稿共43页多刚体系统动力学多刚体的定点转动描述：方向余弦、欧拉角及卡尔登角多刚体的定点转动描述：方向余弦、欧拉角及卡尔登角第12页，本讲稿共43页多刚体系统动力学 欧拉参数形式的动力学方程欧拉参数形式的动力学方程第13页，本讲稿共43页多刚体系统动力学罗伯逊维

9、登伯格方法凯恩方法高斯最小拘束原理方法第14页，本讲稿共43页多柔体动力学柔性多体系统动力学控制方程的基本原理和方法柔性多体系统动力学控制方程的基本原理和方法:牛顿牛顿-欧拉向量力学法欧拉向量力学法拉格朗日为代表的分析力学法拉格朗日为代表的分析力学法 (哈密顿原理、虚位移原理、虚速度原理等哈密顿原理、虚位移原理、虚速度原理等)基于高斯原理等具有极小值性质的极值原理基于高斯原理等具有极小值性质的极值原理其他方法其他方法第15页，本讲稿共43页多柔体动力学柔性多体系统动力学的描述方式：柔性多体系统动力学的描述方式：绝对描述：在指定惯性参考系后，系统中的物体绝对描述：在指定惯性参考系后，系统中的物体

10、 在每一时刻的位形都在此惯性参考系在每一时刻的位形都在此惯性参考系 中确定。中确定。相对描述：对于每个物体都按某种方式选定一个相对描述：对于每个物体都按某种方式选定一个 动参考系，物体的位形是相对于自己动参考系，物体的位形是相对于自己 的动参考系确定。的动参考系确定。第16页，本讲稿共43页多柔体动力学我们一般采用相对描述的方法：相对描述的方法特别适合于由小变形物体组成的系统。此时，可以适当的选取动参考系，使得物体相对于动参考系的运动（变形）总是小。这样，对于变形可按通常的线性方法来处理，如模态的展开。第17页，本讲稿共43页多体系统动力学多体系统动力学多体系统动力学多体系统动力学分析方法分析

11、方法分析方法分析方法 从从从从20202020世世世世纪纪纪纪80808080年年年年代代代代末末末末期期期期开开开开始始始始，随随随随着着着着计计计计算算算算机机机机技技技技术术术术的的的的蓬蓬蓬蓬勃勃勃勃发发发发展展展展和和和和CADCADCADCAD（Computer Computer Computer Computer Aided Aided Aided Aided DesignDesignDesignDesign，计计计计算算算算机机机机辅辅辅辅助助助助设设设设计计计计）、MSD MSD MSD MSD(Multi-body(Multi-body(Multi-body(Multi-b

12、ody System System System System DynamicsDynamicsDynamicsDynamics，多多多多 体体体体 系系系系 统统统统 动动动动 力力力力 学学学学)、VP(Virtual VP(Virtual VP(Virtual VP(Virtual PrototypingPrototypingPrototypingPrototyping，虚虚虚虚拟拟拟拟样样样样机机机机)等等等等技技技技术术术术的的的的兴兴兴兴起起起起，给给给给发发发发动动动动机机机机动动动动力力力力学学学学分分分分析析析析，提提提提供供供供了了了了崭崭崭崭新新新新的的的的手手手手段段段

13、段和和和和得得得得力力力力的的的的工工工工具具具具。基基基基于于于于CADCADCADCAD、MSMSMSMS技技技技术术术术发发发发展展展展起起起起来来来来的的的的虚虚虚虚拟拟拟拟样样样样机机机机（VPVPVPVP）技技技技术术术术，为为为为发发发发动动动动机机机机动动动动力力力力学学学学分分分分析析析析开开开开创创创创了了了了新新新新的的的的纪纪纪纪元元元元，目目目目前前前前在在在在市市市市场场场场上上上上可可可可供供供供选选选选择择择择的的的的基基基基于于于于虚虚虚虚拟拟拟拟样样样样机机机机技技技技术术术术的的的的商商商商品品品品化化化化软软软软件件件件产产产产品品品品就就就就有有有有二

14、二二二十十十十多多多多种种种种，其其其其中中中中应应应应用用用用最最最最为为为为广广广广泛泛泛泛的的的的产产产产品品品品美美美美国国国国MSCMSCMSCMSC公公公公司司司司的的的的ADAMSADAMSADAMSADAMS、比利时比利时比利时比利时LMSLMSLMSLMS公司的公司的公司的公司的DADSDADSDADSDADS、德国航天局的、德国航天局的、德国航天局的、德国航天局的SIMPACKSIMPACKSIMPACKSIMPACK、韩国的、韩国的、韩国的、韩国的RecurdynRecurdynRecurdynRecurdyn等。等。等。等。多体系统动力学虚拟样机分析方法多体系统动力学虚

15、拟样机分析方法第18页，本讲稿共43页利利利利用用用用基基基基于于于于虚虚虚虚拟拟拟拟样样样样机机机机技技技技术术术术的的的的分分分分析析析析方方方方法法法法，首首首首先先先先要要要要利利利利用用用用CADCADCADCAD技技技技术术术术建建建建立立立立发发发发动动动动机机机机各各各各运运运运动动动动机机机机构构构构零零零零部部部部件件件件的的的的三三三三维维维维实实实实体体体体模模模模型型型型，然然然然后后后后利利利利用用用用多多多多体体体体系系系系统统统统动动动动力力力力学学学学技技技技术术术术，搭搭搭搭建建建建起起起起整整整整机机机机运运运运动动动动机机机机构构构构的的的的虚虚虚虚拟拟

16、拟拟样样样样机机机机模模模模型型型型。其最大优势在于：其最大优势在于：其最大优势在于：其最大优势在于：1 1 1 1）采采采采用用用用CADCADCADCAD三三三三维维维维实实实实体体体体模模模模型型型型用用用用于于于于仿仿仿仿真真真真分分分分析析析析，避避避避免免免免了了了了传传传传统统统统算算算算法法法法对对对对实实实实际结构的简化处理而引起的简化误差；际结构的简化处理而引起的简化误差；际结构的简化处理而引起的简化误差；际结构的简化处理而引起的简化误差；2 2 2 2）通通通通过过过过柔柔柔柔性性性性化化化化处处处处理理理理的的的的主主主主要要要要承承承承、传传传传力力力力零零零零部部部

17、部件件件件，可可可可真真真真实实实实反反反反映映映映实实实实际际际际结结结结构构构构的的的的弹弹弹弹性性性性特特特特质质质质，以以以以计计计计及及及及构构构构件件件件的的的的弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形对对对对激激激激励励励励载载载载荷荷荷荷的的的的影响；影响；影响；影响；3 3 3 3）基基基基于于于于多多多多体体体体系系系系统统统统的的的的一一一一体体体体化化化化仿仿仿仿真真真真，可可可可以以以以充充充充分分分分计计计计及及及及各各各各载载载载荷荷荷荷之之之之间间间间的的的的相相相相互影响及共同作用效果。互影响及共同作用效果。互影响及共同作用效果。互影响及共同作用效果。多体系统动力学虚

18、拟样机分析方法多体系统动力学虚拟样机分析方法多体系统动力学虚拟样机分析方法多体系统动力学虚拟样机分析方法第19页，本讲稿共43页多体系统动力学虚拟样机分析方法多体系多体系多体系多体系统动统动统动统动力学虚力学虚力学虚力学虚拟样拟样拟样拟样机分析流程机分析流程机分析流程机分析流程第20页，本讲稿共43页车用发动机中存在的动力学问题曲柄连杆机构的动力学分析 连杆和活塞运动规律，往复惯性力，活塞侧推力，连杆推连杆和活塞运动规律，往复惯性力，活塞侧推力，连杆推力，曲柄销载荷，倾覆力矩，输出力矩等等力，曲柄销载荷，倾覆力矩，输出力矩等等配气机构的动力学分析 进排气门运动规律，气门与摇臂接触力，气门与气门

19、座进排气门运动规律，气门与摇臂接触力，气门与气门座圈接触力以及凸轮型线的评价等等圈接触力以及凸轮型线的评价等等第21页，本讲稿共43页某型内燃机曲柄某型内燃机曲柄某型内燃机曲柄某型内燃机曲柄连连连连杆机构杆机构杆机构杆机构实实实实体模型体模型体模型体模型多体系统动力学虚拟样机分析方法多体系统动力学虚拟样机分析方法第22页，本讲稿共43页某型内燃机多体系统动力学某型内燃机多体系统动力学某型内燃机多体系统动力学某型内燃机多体系统动力学VPVP模型模型模型模型多体系统动力学虚拟样机分析方法多体系统动力学虚拟样机分析方法第23页，本讲稿共43页多体系统动力学虚拟样机分析方法某型某型某型某型内燃内燃内燃

20、内燃机单机单机单机单缸配缸配缸配缸配气机气机气机气机构模构模构模构模型型型型第24页，本讲稿共43页某型某型某型某型内燃内燃内燃内燃机配机配机配机配气机气机气机气机构模构模构模构模型型型型多体系统动力学虚拟样机分析方法第25页，本讲稿共43页某型某型某型某型内燃内燃内燃内燃机配机配机配机配气机气机气机气机构模构模构模构模型型型型多体系统动力学虚拟样机分析方法第26页，本讲稿共43页多体系统动力学虚拟样机分析方法某型内燃机多体某型内燃机多体某型内燃机多体某型内燃机多体系统动力学系统动力学系统动力学系统动力学VPVP模模模模型型型型第27页，本讲稿共43页直列四缸柴油机整机动力学模型第28页，本讲

21、稿共43页曲柄连杆机构的动力学分析 连杆摆角、连杆摆角角速度、连杆摆角角加速度，活塞位移、活塞速度、活塞加速度，爆发压力，往复惯性力，活塞侧推力，连杆推力，曲柄销载荷，主轴颈载荷，倾覆力矩，输出力矩，曲轴的振动等第29页，本讲稿共43页传统方法的分析过程曲柄连杆机构的运动学分析运动件的运动质量换算机构的力源及受力分析第30页，本讲稿共43页曲柄连杆机构第31页，本讲稿共43页运动学分析第32页，本讲稿共43页运动质量的换算第33页，本讲稿共43页激励力的分析第34页，本讲稿共43页基于虚拟样机技术的现代方法装配第35页，本讲稿共43页柔性体的引入替换第36页，本讲稿共43页激励力与约束的施加机构的激励力：爆发压力约束的施加：平移副及旋转副平移副及旋转副外载荷：曲轴的匀速转动第37页，本讲稿共43页计算结果1第一缸的爆发压力第38页，本讲稿共43页计算结果2第一缸的活塞侧推力第39页，本讲稿共43页计算结果3第一缸的曲柄销径向力和切向力第40页，本讲稿共43页计算结果4第一主轴颈载荷第41页，本讲稿共43页多体系统动力学在其他方面的应用及展望建立更详细的模型，多采用柔性体模型，并对边界条件实施更少的简化实现机械、电子控制、液压一体化的联合仿真 各种耦合场的分析第42页，本讲稿共43页谢谢第43页，本讲稿共43页