基于虚拟样机的柴油机动力学仿真及扭振分析

论文摘要

柴油机是汽车、机车、拖拉机、工程机械、船舶等的基本动力装置。自二十世纪五十年代以来,随着科学技术的迅猛发展,以柴油机为动力的各种装置保有量的日益增加,人们对柴油机的要求越来越高。而发动机的主要承载零件的性能优劣直接影响着发动机的可靠性和寿命。随着发动机强化指标的不断提高,其工作部件的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下,如何在设计过程中保证各部件具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为柴油机设计的关键性问题,而曲轴做为柴油机中最关键的部件,保证其安全性和稳定性一直是柴油机研发工作中的重点。本文旨在探索一条可以较为精确分析柴油机曲轴工作时动力学响应的方法。本文选取某16缸柴油机作为研究对象,结合有限元软件ANSYS和多体动力学软件ADAMS构建了柴油机的虚拟样机模型(包括全刚性体模型、曲轴为柔性和机体曲轴都为柔性的刚柔耦合模型)。对比研究了三个模型下曲轴主轴颈和曲柄销承载曲线的异同,并得到曲轴和机体的柔性化对主轴颈的载荷时间历程曲线有较大的影响的结论。本文进一步对曲轴的扭振特性进行了研究,利用柴油机的多体动力学模型计算出了各工作转速的扭振角周期变化曲线,并进行了谐次分解。计算结果表明本文研究的柴油机一阶扭转固有频率较高,靠近一阶扭转频率的谐次都是高阶谐次,因此工作转速内的扭转振幅并不会危害到曲轴的安全性。通过上述工作及其结果与分析可见虚拟样机技术确实能够比较准确和方便的预测实际发动机的动力学性能。在发动机研发过程中能节约研发成本、提高研发效率以及提升产品性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及研究意义
• 1.2 曲轴系扭转振动的研究现状
• 1.3 曲轴系扭转振动的研究方法
• 1.3.1 集中质量模型（离散模型）算法
• 1.3.2 分布质量模型算法
• 1.3.3 有限元法
• 1.3.4 结合有限元法和多体系统动力学仿真
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 多体系统动力学
• 2.1 多体系统动力学的发展及现状
• 2.2 多刚体系统动力学理论
• 2.2.1 广义坐标
• 2.2.2 铰链约束
• 2.2.3 动力学分析
• 2.2.4 动力学方程的求解
• 2.2.4.1 微分代数方程的求解算法
• 2.2.4.2 坐标缩减的微分方程求解算法
• 2.3 柔性体动力学微分方程
• 2.3.1 运动学关系
• 2.3.2 动力学方程
• 第三章 基于虚拟样机的柴油机多体动力学仿真建模研究
• 3.1 概述:
• 3.2 连杆、活塞和缸盖的实体建模
• 3.3 曲轴和机体的建模及其柔性化
• 3.3.1 ADAMS/FLEX模块
• 3.3.2 在ANSYS中生成柔性体
• 3.3.2.1 曲轴的有限元模型生成及其模态分析
• 3.3.2.2 机体的有限元模型生成及其模态分析
• 3.3.2.3 利用ANSYS与ADAMS之间的接口生成模态中性文件
• 3.4 柴油机仿真模型的装配
• 3.5 阻尼和爆发压力的施加
• 3.5.1 发动机爆发压力的施加
• 3.5.2 施加阻尼
• 第四章 曲轴轴系动力学仿真
• 4.1 概述
• 4.2 多刚体运动学和动力学分析
• 4.2.1 创建驱动和测量
• 4.2.2 运行多刚体动力学仿真
• 4.3 刚柔耦合动力学仿真
• 4.4 结论
• 第五章 内燃机曲轴轴系扭振仿真分析
• 5.1 曲轴扭转振动产生机理
• 5.2 曲轴扭转振动的相关理论及分析方法
• 5.2.1 共振的概念
• 5.2.2 阻尼对振动的影响
• 5.2.3 激振力矩的简谐分析
• 5.2.4 相对振幅矢量和
• 5.2.4.1 激励力矩矢量图
• 5.2.4.2 相对振幅矢量和的求法
• 5.2.4.3 多列内燃机的相对振幅矢量和的求法
• 5.3 临界转速及应考虑的简谐次数范围
• 5.4 曲轴系扭转振动仿真分析
• 5.4.1 边界条件的施加
• 5.4.2 模型验证
• 5.4.2.1 单列气缸工作情况下的扭振曲线
• 5.4.2.2 正常工作情况下的扭振曲线
• 5.5 各转速工况下扭振特性分析
• 5.6 计算结果分析
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文