基于虚拟样机技术的内燃机动力学性能研究.doc

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1、河南理工大学2011届本科毕业设计论文基于虚拟样机技术的内燃机动力学性能研究陈金亮（2011届毕业生）摘 要振动、噪声量级是发动机设计要求的重要指标之一，准确的预测发动机的振声特性是从根本上提高发动机的振声品质、缩短研制周期、提高市场竞争力的重要途径，而准确的激励载荷分析，是进行内燃机振声特性预测和低噪声设计的基础。在此背景下，本文针对S195柴油机的激励载荷分析开展了系列研究工作。传统的质点力系分析方法和多刚体系统动力学分析方法，由于无法考虑部件弹性的影响，无法满足当代对激励载荷精确分析的需求。本文在考虑部件弹性的基础上，采用多体动力学方法对S195柴油机曲柄连杆机构动力学特性进行了仿真研究

2、，具体内容如下：1.应用三维CAD软件Pro/E建立曲柄连杆机构的三维实体模型，并进行装配，然后利用Pro/E与动力学分析软件ADAMS的接口，建立曲柄连杆机构的多刚体动力模型。2.针对建立好的曲柄连杆机构多刚体动力学模型，研究了曲柄连杆机构的惯性力（往复惯性力、离心惯性力）对机体产生的横向干扰力、纵向干扰力和翻倒力矩，以及惯性力的平衡问题。3.应用有限元分析软件ANSYS生成机构中主要的柔性构件曲轴的模态中性文件，并利用ADAMS中嵌入的ADAMS/Flex模块，对曲轴进行柔性化，建立了机构的多柔体动力学仿真模型。对比研究了考虑部件弹性对机构动态性能所产生的影响。4.总结得出了考虑多种影响因

3、素的曲柄连杆机构动力学耦合仿真研究方案。上述研究工作表明：改变曲轴的质量特性参数（质心的位置、质量的大小），对机体的干扰力有不同程度的影响，其中质心的位置对惯性力平衡有较大的影响；在考虑部件柔性后，激励载荷的变化更加平缓，更真实地反映了机构工作时的实际状态。因此耦合了关键部位柔体的多提动力学建模与仿真分析的方法，是一条行之有效的技术途径，为进一步深入开展内燃机结构动力学响应分析奠定了基础。关键词：ADAMS；ANSYS；发动机；曲柄连杆机构；惯性力；Abstract Vibration, engine noise magnitude is an important indicator of t

4、he design requirements, accurate predictions Vibration and Acoustic characteristics of the engine is fundamentally improve the quality of engine vibration and noise, shorten the development cycle, improve the market competitiveness of the important ways, and accurate Incentive load analysis, Vibrati

5、on and Acoustic Characteristics of internal combustion engine is a predictable and low-noise design. In this context, this incentive for load analysis of S195 diesel engine carried out a series of research work.The traditional multi-particle force system analysis and system dynamics analysis of rigi

6、d body, unable to consider the impact of flexible parts, unable to meet loads of incentives accurate analysis of contemporary needs. Flexibility in considering this part, based on the method of multi-body dynamics engine crank S195 dynamics was simulated, as follows:1. Using the three-dimensional CA

7、D software Pro/E to establish 3D solid crank model, and assembly. Then, with the dynamic analysis software ADAMS interface, the establishment of multi-rigid crank powered models.2. Crank for the well-established multi-body dynamics model, the inertia of the connecting rod force (reciprocating inerti

8、a force, centrifugal force) to force the body to produce interference with horizontal, vertical disturbance force and overturning moment, and inertia The balance of power.3. ANSYS finite element analysis software generates the main body of flexible components - crankshaft, the modal neutral file, an

9、d embedded in ADAMS, ADAMS/Flex modules were flexible on the crankshaft, the establishment of a body flexible multi-body dynamics simulation model. Comparative study of the flexibility of the body parts to consider the impact of dynamic performance.4. Summary consider the influence of factors obtain

10、ed in the simulation of dynamic coupling crank research program.The research shows that: changing the crankshaft of the quality parameters (centroid location, quality, size), the body of the interference forces have different effects, in which the centroid position of the inertial force balance have

11、 a greater impact; in considering parts of the flexible , the excitation load changes more gently, more real work to show the actual state institutions. Therefore, a key part of the coupling of multi-flexible body dynamics modeling and simulation provide analysis, is an effective technical approach,

12、 in order to carry out further structural dynamic response analysis engine foundation.Key words: ADAMS; ANSYS; engine; crank linkage; inertial force;- 83 -目录1.概 述- 1 -1.1虚拟样机技术- 1 -1.1.1 虚拟样机技术的含义- 1 -1.1.2 虚拟样机技术的内容- 2 -1.1.3 虚拟样机技术的应用- 3 -1.2 发动机国内外研究现状- 4 -1.2.1机构动力学分析方法的研究现状- 4 -1.2.2现代设计理论和方法在发

13、动机开发中的应用- 5 -1.2.3国内外对发动机机构平衡的研究现状- 7 -1.3发动机虚拟样机开发的意义- 8 -1.3.1应用虚拟样机技术适应市场需求的变化- 8 -1.3.2 发动机虚拟样机技术的研究目的和意义- 9 -1.3.3 发动机虚拟样机技术的研究步骤和方法- 9 -1.4 本文的主要研究内容和方法- 11 -2.理论分析- 12 -2.1曲柄连杆机构运动学分析- 12 -2.2曲柄连杆机构动力学分析- 14 -2.3简化后的机构受力分析- 16 -2.3.1机构运动件的质量换算- 16 -2.3.2简化后机构受力分析- 18 -2.4曲柄连杆机构对机体的作用力- 20 -2.

14、5单缸内燃机的平衡分析与平衡方法- 22 -2.5.1离心惯性力的平衡- 22 -2.5.2往复惯性力的平衡- 23 -2.6 刚体系统在ADAMS的分析和计算方法- 24 -261广义坐标的选择- 24 -262动力学方程的建立及解法- 24 -263静力学分析- 29 -264运动学分析- 29 -265初始条件分析- 30 -27 多柔性体系统在ADAMS中的动力学建模- 33 -271 柔性体上点的位置向量、速度和加速度- 33 -272多柔性体系统动力学方程的建立- 35 -273多柔性体运动学的建立- 38 -274多柔性体的能量方程的建立- 39 -3物理建模- 42 -3.1概

15、述- 42 -3.2曲柄连杆机构几何模型的建立- 44 -3.2.1三维CAD软件Pro/ENGINEER- 44 -3.2.2曲柄连杆机构几何模型的建立- 45 -3.3模型质量特性参数的确定- 47 -3.3.1三维实体模型质量特性参数的计算- 47 -3.3.2质量特性参数计算结果的检验- 50 -3.4曲柄连杆机构多刚体动力学模型的建立- 53 -3.4.1机械系统动力学分析软件ADAMS- 53 -3.4.2曲柄连杆机构多刚体动力学模型的建立- 54 -3.5曲柄连杆机构多柔体动力学模型的建立- 56 -3.5.1 多柔体动力学建模方法- 57 -3.5.2曲轴模态中性文件的生成-

16、58 -3.5.3 曲轴的柔性化- 58 -4.发动机曲柄连杆机构多体动力学仿真分析- 59 -4.1评价指标体系的建立- 59 -4.2模型检验- 60 -4.3 对模型施加气体作用力- 62 -4.4曲柄连杆机构多刚体动力学模拟结果分析- 63 -4.5简化模型计算结果误差的模拟研究- 65 -4.5.1简化模型质量特性参数的确定- 65 -4.5.2简化模型计算结果误差分析- 66 -4.6曲柄连杆机构多柔体动力学模拟结果分析- 68 -5.曲柄连杆机构的参数优化- 70 -5.1曲轴质心位置对内燃机干扰力的影响- 70 -5.2曲轴质量对内燃机干扰力的影响- 73 -5.3曲轴质量参数

17、优化结果- 76 -6.总结与展望- 77 -6.1全文总结- 77 -6.1.1主要工作和结论- 77 -6.1.2研究方法的主要特色- 79 -6.2研究展望- 80 -致谢- 81 -参考文献- 82 -1.概 述1.1虚拟样机技术1.1.1 虚拟样机技术的含义所谓的虚拟样机就是通过构造一个数字化的模型来完成物理样机的功能，虚拟样机(Virtual Prototype)的定义可以这样描述：一个基于计算机仿真和虚拟现实的技术的原形系统或原形子系统，比较物理样机，在一定程度上达到功能的真实虚拟样机(Virtual Prototype)技术是计算机辅助工程的一个重要分支，它是人们开发新产品时，

18、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、缩短产品开发周期的目的。随着人类社会进步的加快，人们生活水平的不断提高，人们对产品的要求也越来越高，同时社会竞争更加激烈，产品复杂程度越来越高，产品开发周期越来越短，产品保修维护期望越来越高，生产计划越来越灵活，在现实中还有一些客观的约束条件，例如昂贵的物理样机实验，严格的法律规定要求等，因此要提高产品质量。缩短开发周期，并不是件容易的事情。要克服以上困难，一个行之有效的方法就是通过虚拟样机进行仿真模拟。在未真正生产出真实的产品以前就进行仿真模拟，提前知道产品的各种性能，防止各种设计缺陷

19、的存在，提出改进意见。传统的产品开发过程如图1-1所示：概 念 设 计详 细设 计制 造 物理 样 机物 理 样机 测 试产 品 定型 生 产发现问题，修改样机 并重新制造样机图1-1传统的产品开发流程该过程是一个大循环过程，不仅难以提高产品质量，而且耗费大量的时间和金钱。而通过物理样机技术，在制造物理样机之前就可以进行样机测试，预测可能出现的问题和发现潜在的问题，缩短产品开发周期的4070，其过程如图1-2所示，这样不仅节省时间和金钱，还可以大幅度地提高设计质量。概 念设 计详 细设 计虚 拟 样机 测 试产品定型生产图1-2 虚拟样机开发流程1.1.2 虚拟样机技术的内容按照美国MDI公司

20、总裁博士RobertRyan对虚拟样机技术的界定，虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计的过程的技术，包含有数字化物理样机(Digital Mock-Up)、功能虚拟样机(Functional Virtual Prototyping)和虚拟工厂仿真(Virtual Factory Simulation)三个方面内容。数字化物理样机对应于产品的装配过程，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能；功能虚拟样机对应于产品分析过程，用于评价己装配系统整体上的功能和操作性能：虚拟工厂仿真对应于产品制造过程，用于评价产品的制造性能，这三者在产品数据管理(PDM)系统或产

21、品全部生命周期管理(PLM)系统的基础上实现集成。数字化物理样机(Digital Mock-Up)解决方案不同于以UG和CATIA为代表的结构设计软件，不是强调结构上的设计，而是视物理样机零部件的形态特性和系统装配特性的数字化检视DMU充分利用镶嵌式的三维零件实体造型技术，以增强对大型系统的快速显示和浏览能力，实现造型、装配、浏览、运动轨迹包络、冲突检测等功能，并有效支持协同设计、巡航浏览、干涉、碰撞检测等。在与产品数据管理(PDM)系统集成的情况下，DMU能提供有效的方法以保证产品的所有零部件配合良好(fit特性)，并且显示为所设计的形态(form特性)国外在这方面领导潮流的公司或产品主要有

22、Tecoplan、EDS/VisMock-up、Clarus和Division等。功能虚拟样机(Functional Virtual Prototyping，FVP)解决方案充分利用三维零件的实体模型和零件有限元模型的模态表示，在虚拟实验室或虚拟实验场的实验中精确地预测产品的操作性能，如运动、操纵性、振动、噪声、耐久性、疲劳、安全性、冲击，工效学、舒适性等等。在这方面居领先地位的主要公司有MSC/ADAMS、LMAS/DADS等。虚拟工厂仿真(virtual Factory Simulation，VFS)解决方案对产品完整的制造和装配过程进行仿真，以解决产品制造和装配过程中的公差、机器人、装配

23、、序列等问题。在这方面突出的公司和产品主要有Tecnomatix/eMPower、Deneb/QUEST。数字化物理样机(DMU)、功能虚拟样机(FVP)和虚拟工厂仿真(VFS)联合起来，提供了从实体物理样机向软件虚拟样机的转化的有效的方法，从而有效地支持了虚拟样机的产品开发1.1.3 虚拟样机技术的应用虚拟样机技术在发达国家，如美国、德国、日本等都己得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、舷空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物学、医学以及工程咨询等诸多方面。美国波音飞机公司波音777飞机，是世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价

24、及分析就是采用了虚拟样机技术例这不但使研发周期大大缩短、研发成本显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。火星探测器“探路号”和Caterpiller公司大型设备虚拟仿真是虚拟样机应用的另外两个典型例子美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)成功地实现了火星探测器。探路号”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。JPL工程师利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段(进入大气层、减速和着陆)的工作过程。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，

25、保证了火星登陆计划的成功。Caterpiller公司是世界上最大的拖拉机装配机和工程机械制造商之一。由于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，所以，为了提高竞争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。Caterpiller公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和实验步骤，实现了快速虚拟实验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。同样，作为生产工程机械的著名厂商JohnDeere公司，为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案。并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的

26、高速行驶性能与重载作业性能。1.2 发动机国内外研究现状1.2.1机构动力学分析方法的研究现状目前国内外对内燃机工作机构的动力学分析方法很多，而且已经较完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动即位移、速度和加速度随时间变化的关系；动力学则是研究产生运动的力。内燃机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括对气体力、惯性力、轴承力和曲轴扭矩等的分析。传统的内燃机工作机构运动学、动力学分析方法主要有图解法和解析法。（1）图解法形象直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度、所受力的大小及改变趋势通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算结果正误的判断和解的初值选择，缺

27、点是精度不高。不经任何计算，对曲柄连杆机构直接图解速度和加速度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂。（2）解析法解析法是对逐个构件列出平衡方程，通过各个构件间的联立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩。解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。（3）复数向量法复数向量法是以各个杆件做为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达，对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后，可以得到机构的运动性能.该法是工作机构运动分析的较好方法。通过对机构运动学、动力学的分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和设计。但是过去由于手段的原因，大部分复

28、杂的机械运动尽管能够给出解析表达式，却难以计算出供工程设计使用的结果，不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来随着计算机的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程，从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。1.2.2现代设计理论和方法在发动机开发中的应用近年来随着市场竞争的加剧，产品的开发周期不断缩短以增强市场竞争力。但同时，为了提高产品质量和降低成本，需做大量实验、分析和数据处理，需要增加设计工作量。解决这对矛盾的办法便是采用先进技术和工具，将重点放在先期设计阶段，大量应用现代设计理论和方法。现代设计理论和方法是动态发展的，从狭义来说是为设计而建立的各种数学模型

29、及求解这些模型的技术。它在内燃机产品设计中应用的范围十分广泛，主要有优化设计、有限元分析、计算机辅助设计、多刚体动力学分析、计算机辅助工程热力学分析等。（1）优化设计应用优化设计技术的目的在于改善内燃机产品的性能，减轻零件质量、降低应力、延长寿命、提高可靠性、降低成本。通过目标函数和约束条件对这些要求做数学描述，最后化为约束条件限定的可行域内多元函数求极值的问题，以求得整体的权衡折衷。通常采用较多的是有约束非线性规划法，国内已有不少单位对内燃机零件，如气门弹簧、活塞、连杆、曲轴等进行优化设计或从多方案中选优。（2）有限元分析有限元素法是利用变分原理将力学、热力学中的微分方程边值问题归结于泛函求

30、极值问题，并利用计算机求解。从70年代起我国就在内燃机产品设计中应用有限元技术，应用ADINA等大型有限元程序系统计算与分析连杆、曲轴及增压器叶轮等内燃机零部件的静、动态应力和应变结构强度与刚度问题，其成果已在中小型内燃机产品设计上推广应用。（3）计算机辅助设计（CAD）计算机辅助设计（CAD）是从60年代发展起来的现代设计方法的重要分支，它从根本上改变了机械设计的传统模式，引起工程设计领域的深刻变革。同时它又综合性的应用了现代设计理论和方法，并将其有机地集成在CAD系统中。1993年由上海内燃机研究所负责，12所高校和研究所参加，成功开发了中小功率内燃机辅助设计系统（ICECAD）。该系统汇

31、集了当前许多内燃机设计的新成果，采用该系统对内燃机产品(从零部件到整机)既可进行改进设计，又可进行全新设计，它是我国内燃机行业第一个完整的CAD系统。（4）多刚体动力学模拟（MBS）多刚体动力学仿真(Multibodies Simulation)是近十年发展起来的机械计算机仿真技术。MBS提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于仿真实验，充分利用己有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。目前的MBS软件主要有Pro/Machanica，Wor

32、king Model 3D，ADAMS等。MBS软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正。目前国内大学和企业已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构运动干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据。1.2.3国内外对发动机机构平衡的研究现状为解决发动

33、机的平衡和振动问题，设计人员对机构进行了不断的改进和创新，如目前存在的双曲轴机构、无连杆机构、两角转子机构、无曲轴机构等。单缸双曲轴发动机是90年代初期由洛阳工学院的钱程等人设计的，其结构要点是双连杆与双曲轴要相对于活塞轴线对称布置。采用双曲轴机构的优点是：发动机无需复杂的平衡机构即可消除活塞对气缸套的侧向力产生的摩擦损失与磨损，克服往复惯性力引起的振动与噪声，实现节能、省材、低振动的目的。早在30年代，前苏联对无连杆发动机就有比较全面的论述与专著，并在蒸汽机和航空发动机上使用过。我国无连杆发动机的研究始于50年代，吉林工业大学将无连杆机构用于小型压缩机取得成功。山东、湖南等省有关专家先后试制

34、过齿轮滑块式小型单缸无连杆汽油机及压缩机。安徽工学院于80年代末期研制的偏心轮滑块式无连杆发动机具有结构简单紧凑、零部件少、运转平稳等优点。两角转子机构是在三角转子的基础上发展起来的，它取消了曲柄连杆机构，也不用三角转子内燃机中的行星齿轮机构，所以结构更紧凑、重量体积更小、零部件更少，特别适用于轻型内燃机及一些特殊场合，有很高的应用价值。此外，江苏丹阳华源行星动力有限公司的钱国川等人近年来对R190型柴油机的平衡机构进行了不断的改进。在S195双轴平衡装置的基础上简化了传动机构，在曲轴的轴柄臂上附加两块平衡块以平衡旋转质量产生的离心惯性力，过量部分转移一部分一级往复惯性力。1.3发动机虚拟样机

35、开发的意义1.3.1应用虚拟样机技术适应市场需求的变化 在当今日趋激烈的全球化的市场竞争中，发动机生产企业要想求得生存与发展，也必须满足市场所提出的T、Q、c、S要求，即以短的周期(Time)，高品质的产品(Quality)，较低的成本(Cost)和优良的服务(Service)来赢得用户针对变幻不定的市场需求，企业必须具有对市场变化作出快速反应的能力，作为产品开发重中之重的设计阶段也必须具备高时效性的特点。虚拟样机在发动机设计、制造的全过程中都可发挥重要作用，参与从初始概念设计直到最终成品制造全过程。在制造之前，虚拟样机可用来确定带式输送机的外形，检查设计规划和工作进程，支持方案可行性分析、进

36、行装配和人体工程学的研究。在带式输送机开发的投入期，应用虚拟样机技术能缩短设计周期，节约设计经费在带式输送机产品制成之后又可以进行虚拟样机仿真实验，代替物理样机实验进行子系统及参数的优化当带式输送机进入衰退期，利用原有的数字虚拟样机可以修改原型。实现发动机产品快速创新设计1.3.2 发动机虚拟样机技术的研究目的和意义（1）传统的机械设计一次成功率很低，其主要原因之一就是设计方案的优劣基本上要等到产品样机试制完成并经考核后才能确认，如果这时发现设计方案不符合要求，就必须改动设计重新试制，会造成很大的浪费和拖延产品开发时间。通过应用机构运动学、动力学模拟以及产品的性能模拟就有可能从根本上改变这一状

37、况，从而提高设计效率、缩短产品开发周期、提高市场竞争力。（2）在模拟的过程中可以观察机构的运动规律、分析机构的惯性力平衡问题等，并借鉴国内现有的该领域分析方法的计算结果与本文的模拟结果相比较，验证该分析方法的先进性。（3）在产品设计阶段，利用参数改变来实现工作机构性能改善，使机构惯性力平衡达到最优化，从而提高效率、降低成本。1.3.3 发动机虚拟样机技术的研究步骤和方法ADAMS软件是美国MSCSoftware公司开发的一款机械系统动力学仿真分析软件，在机械产品开发过程中结合其他三维设计软件，可以方便地实现虚拟样机试验分析，在内燃机虚拟样机技术中应用比较广泛，但是，由于ADAMS实体造型功能较

38、弱，对于象内燃机这样较复杂的机械系统，零部件的几何外形不规则，利用ADAMS三维建模就不容易实现，且ADAMS需要的许多参数就无法精确的确定，所以往往得不到正确的结果。因此，常用的分析方法是将专业的CAD建模软件和专业的动力学仿真软件联合进行。本文中我们首先利用Pro/E软件建立S195柴油机曲柄连杆机构的三维实体模型，对模型设置质量参数，并进行装配，然后利用Pro/E和ADAMS的接口模块MECH/Pro生成刚体，并对对装配体添加相应的约束和标记，然后将定义好的刚体传递到ADAMS/View环境下，再添加复杂的约束和力等，来进一步完善模型。当模型建立好后，对模型进行仿真分析，然后与实际情况进

39、行比对，验证建立模型的正确性。如何模型完全是实际情况相符，即可进行下一步的仿真分析，如果以实际情况不符，则回头检查错误修改模型。其次， 在多刚体动力学模型建立好之后，将曲轴模型导入到模型修补软件中，对曲轴进行拓扑修复，修补成功后导入到ANSYS中，在ANSYS中完成单元，实常数、材料等内容的定义，然后划分单元网格、定义外部节点。进而生成ADAMS生成柔性元件的mnf模态中性文件。在输出mnf格式的中性文件之前，必须进行质量、载荷等验证操作，以保证文件中所包含的数据的可靠性。最后，利用ADAMS中嵌入的ADAMS/Flex模块，将柔性体模型导入到ADAMS中替换原来的刚性体，就得到了S195柴油

40、机得多柔体动力学仿真模型，然后通过模型检查，没有错误信息就可进行多柔体动力学仿真分析了。研究分析的步骤如图1-3所示。图1-3发动机多体动力学仿真分析步骤1.4 本文的主要研究内容和方法本课题主要运用理论分析、实验研究和计算机仿真相结合的方法，对S195柴油机曲柄连杆机构进行动力学分析，其主要研究内容有:（1）运用CAD软件Pro/ENGINEER对曲柄连杆机构进行三维实体建模，确定各组成部件的质量特性参数和材料特性参数；（2）在Pro/ENGINEER环境下调用MECHANISM/Pro模块，建立曲柄连杆机构的多刚体动力学模型，并生成ADAMS可读数据文件；（3）将曲柄连杆机构多刚体动力学模

41、型导入ADAMS，分析在额定转速时曲柄连杆机构的运动学、动力学特性；（3）比较简化模型和非简化模型在相同参数条件下，机构动力学参数的差异；（4）改变曲轴的质心位置、质量大小等质量特性参数，实现曲柄连杆机构的平衡和优化。（5）将曲轴模型导入到ANSYS中，在ANSYS中完成单元，实常数、材料等内容的定义，然后划分单元网格、定义外部节点。进而生成ADAMS生成曲轴的mnf模态中性文件。（6）利用ADAMS中嵌入的ADAMS/Flex模块，将曲轴的mnf模态中性文件导入到ADAMS中替换原来的刚性体，得到S195柴油机得多柔体动力学仿真模型，研究在考虑曲轴弹性的情况下曲柄连杆机构的运动学、动力学特性

42、。2.理论分析本章运用力学的基本理论进行单缸内燃机曲柄连杆机构的运动学和动力学分析，为课题的研究奠定理论基础。2.1曲柄连杆机构运动学分析单缸内燃机的工作机构主要采用中心式曲柄连杆机构，其气缸中心线通过曲轴的旋转中心，结构简图如图2-1所示:图2-1 曲柄连杆机构简图图中: l连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离； r曲柄半径，指曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离； 曲轴转角，指曲轴偏离气缸中心线的角度； 连杆摆角，指连杆中心线在其摆动平面内偏离气缸中心线的角度； 曲轴旋转角速度； 活塞位移，指活塞由上止点开始向下止点运动的距离，上、下止点分别指活塞在气缸中运动所达到的距离曲轴旋转中心最远、最近的

43、位置。活塞在气体压力的作用下作往复运动，并通过连杆将往复运动转化为曲轴的旋转运动。对曲柄连杆机构进行运动学、动力学分析时，通常近似的认为曲轴作匀速旋转运动，并将机构的各种运动学和动力学参数表示为曲轴转角的函数。活塞位移(2.1.1)式中：，其中为连杆比。活塞速度v(2.1.2)活塞加速度a(2.1.3)式中可按牛顿二项式定理展开成如下级数：(2.1.4)在实际计算中，为简便起见一般只取前两项：(2.1.5)(2.1.6)式中：，称为活塞的一级加速度； ，称为活塞的二级加速度。连杆的角速度(2.1.7)连杆的角加速度(2.1.8)2.2曲柄连杆机构动力学分析曲柄连杆机构的动力学分析是内燃机结构设

44、计的基础，它是分析曲柄连杆机构中力的作用情况，并从中找出影响内燃机曲轴的输出扭矩、曲轴旋转的均匀程度和动力不平衡的根本原因，从而确定改替内燃机动力性能的措施。动力学分析还为内燃机主要零件的强度、刚度、磨损、振动和轴承负荷等计算提供必要的数据。运转着的内燃机，其曲柄连杆机构中作用着气体对活塞的压力、往复或旋转运动质量的自重和惯性力、外部负荷对内燃机的反作用力、运动副间的摩擦阻力等。在动力学分析中，一般将各运动部件的自重和运动副之间的摩擦阻力忽略不计，主要分析气体压力和惯性力在曲柄连杆机构中的作用情况。本文研究的重点是曲柄连杆机构不平衡惯性力对机体的影响，因此只考虑惯性力在曲柄连杆机构中的作用情况

45、。曲柄连杆机构的惯性力包括活塞组作往复运动产生的惯性力、曲轴的不平衡质量作旋转运动产生的惯性力和连杆组作复合平面运动产生的惯性力。活塞组件往复惯性力的方向沿气缸中心线且与活塞加速度方向相反。(2.2.1)式中：活塞组的质量连杆的运动为随活塞平移的牵连运动和绕活塞销转动的相对运动的复合，这两种运动都是变速运动，因此连杆的惯性力有四种(如图2-2所示):图2-2 连杆惯性力（1） 连杆组随活塞作往复运动而产生的往复惯性力，其方向平行于气缸中心线，且与活塞加速度方向相反。(2.2.2)式中：连杆组的质量。（2） 连杆组绕活塞销中心转动的向心加速度而产生的离心惯性力，它通过连杆组质心C且总顺着由连杆小

46、头中心A到质心C的离心方向。(2.2.3)式中：连杆小头中心到连杆质心的距离。（3） 连杆组绕活塞销中心转动的切相加速度产生的惯性力，它作用于连杆质心且垂直于连杆轴线。(2.2.4)（4） 连杆变速旋转的角加速度产生的惯性力矩。(2.2.5)式中：连杆组绕其质心的转动惯量。（5）曲轴离心惯性力的方向始终沿着曲柄半径而背离旋转中心。(2.2.6)式中：曲轴的质量； 曲轴的质心到曲轴旋转中心的距离。2.3简化后的机构受力分析由以上分析可以看出，曲柄连杆机构的惯性力分析，特别是连杆惯性力的计算非常繁琐，在以往的理论设计和计算中往往加以简化，即用几个适当配置的集中质量来代替分布的质量，曲柄连杆机构复杂

47、的惯性力系简化为曲轴的离心惯性力和活塞的往复惯性力。2.3.1机构运动件的质量换算曲柄连杆机构的所有运动零件按运动性质可分为三组:（1） 活塞组 活塞组包括活塞、活塞环、活塞销及其附属零件，其沿气缸轴线作往复直线运动，每点的运动状态一样，认为其质量集中在活塞销中心，并以表示:(2.3.1)（2） 连杆组 连杆组由连杆及附件（连杆轴瓦、连杆螺栓等）组成，它做复合平面运动。连杆组质量换算的原则是保持系统的动力学等效性21，实际计算中为了简化起见，通常用静力等效原则将连杆组件的质量换算为连杆大头和连杆小头质量。(2.3.2)(2.3.3)联立解得:(2.3.4)(2.3.5)式中：连杆小头的换算质量； 连杆大头的换算质量； 连杆大头到连杆质心的距离。（3） 曲轴 曲轴包括曲柄销、曲柄臂、主轴颈等，其绕曲轴轴线作旋转运动。一般将曲轴质量换算到曲柄销中心上，换算原则是离心惯性力相等，即换算质量的离心惯性力与实际不平衡质量的离心惯性力应该相等