基于试验与仿真分析的发动机运动件摩擦耦合动力学研究

论文摘要

随着现代发动机数字化仿真分析研究的不断深入,迫切需要解决发动机系统中的摩擦学特性与动力学特性耦合的问题,这也是发动机振动噪声控制研究水平不断提高的技术需求。本文对发动机系统中的摩擦学行为与动力学行为的耦合特性进行了开拓性的研究,采用有限元,非线性有限元和柔性多体动力学的方法建立了一个包含多种摩擦学特性的发动机数字化虚拟样机,为发动机动力学系统的评估分析和优化设计提供了可靠的数据平台。文章首先系统地分析了发动机中存在的各种摩擦学现象,将摩擦行为分为两个研究系统:油膜动力润滑摩擦系统和干摩擦系统。将弹性流体动力学和摩擦学理论引入多体动力学仿真技术中,提出了一种针对曲轴系统与油膜动力润滑摩擦耦合的联合仿真技术。以一台车用四缸柴油机为例建立了曲轴轴系与流体动力润滑主轴承耦合的发动机虚拟样机,系统地得到了发动机主轴承载荷、轴心轨迹以及油膜最小厚度等数据。通过分析发现发动机曲轴系统的油膜动力润滑摩擦行为会对系统的动力学特性产生较大的影响,使用流体润滑耦合的多体动力学系统进行仿真分析能更真实地反映发动机的实际工作状况。因此,在动力学建模和仿真计算时应该考虑系统中的油膜动力润滑摩擦行为。发动机在运行时有些运动副不可避免地会出现干摩擦现象。本文针对发动机运行中的干摩擦问题,提出了一种车用金属材料干摩擦特性的试验分析方法。通过自主设计的金属干摩擦特性试验装置,测量得到了干摩擦迟滞特性曲线以及等效刚度与阻尼变化规律,并将试验数据和理论模型进行比较分析,验证了理论模型的正确性与不足。参照理论模型与试验装置建立了相应的非线性有限元分析模型,并将有限元仿真计算结果与试验及理论结果进行对比,发现有限元模型结果与试验结果以及理论计算结果具有较好的吻合程度,验证了有限元分析方法可以用于进行实际机械结构金属材料干摩擦表面的接触分析。最后,以活塞-缸套系统为研究对象,提出了采用非线性有限元技术与多体动力学仿真技术相结合的方法,建立了包含子系统干摩擦行为的发动机多体动力学模型,仿真结果指出考虑了非线性接触摩擦的活塞-缸套多体动力学系统更真实地反映了金属表面所受到的侧向力冲击载荷,其摩擦力数值也更能反映实际情况。本文建立了一个完备的包含摩擦学行为的发动机虚拟样机,对发动机油膜动力润滑摩擦和干摩擦问题进行了开拓性和基础性的研究,为发动机动力学分析和振动噪声控制的研究提供了可靠的数据平台,为发展和完善发动机数字化设计和仿真分析技术提供了重要的基础研究成果。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究意义
• 1.1.1 发动机振动与摩擦学行为的耦合关系
• 1.1.2 发动机中的摩擦学行为
• 1.1.3 摩擦学系统研究在发动机数字化仿真技术中的意义
• 1.2 振动摩擦耦合技术国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.1.1 流体润滑摩擦理论及工程应用
• 1.2.1.2 干摩擦理论及工程应用
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.2.1 流体润滑摩擦理论及工程应用
• 1.2.2.2 干摩擦理论及工程应用
• 1.3 数字化仿真技术在摩擦学行为中的应用
• 1.4 本论文主要研究工作与目标
• 2 发动机数字化仿真分析中的流体润滑摩擦基本理论
• 2.1 概述
• 2.2 数字化设计技术及其理论
• 2.2.1 有限元分析技术
• 2.2.2 虚拟样机技术
• 2.2.2.1 虚拟样机技术概述
• 2.2.2.2 虚拟样机技术设计流程
• 2.2.3 柔性多体动力学
• 2.2.3.1 柔性多体系统中的坐标系
• 2.2.3.2 柔性多体系统动力学方程
• 2.2.4 动态子结构方法
• 2.2.4.1 部件模态综合
• 2.2.4.2 模态的正交化
• 2.2.5 仿真研究平台
• 2.3 流体动力润滑摩擦理论研究
• 2.3.1 流体动力润滑的工作原理
• 2.3.2 REYONLDS方程
• 2.3.3 雷诺方程的无量纲形式
• 2.4 本章小结
• 3 曲轴系统油膜润滑摩擦动力学耦合特性仿真分析研究
• 3.1 概述
• 3.2 曲轴轴系─轴承耦合动力学模型
• 3.2.1 柔性体模型的建立
• 3.2.2 曲轴系统虚拟样机模型的建立
• 3.2.3 轴承油膜数学模型
• 3.2.4 轴承油膜的边界条件
• 3.3 子系统模型
• 3.4 动力润滑轴承的数值计算方法
• 3.4.1 有限差分法
• 3.4.2 油膜合力的计算
• 3.5 多体动力学仿真及数据分析
• 3.6 本章小结
• 4 发动机数字化仿真分析中干摩擦问题的基本理论
• 4.1 概述
• 4.2 整体滑动模型
• 4.3 部分滑动模型
• 4.3.1 弹簧阻尼摩擦模型
• 4.3.2 MINDLIN理论模型
• 4.4 本章小结
• 5 发动机金属材料表面干摩擦特性的试验研究与数据分析
• 5.1 概述
• 5.2 金属表面干摩擦特性准静态试验
• 5.2.1 准静态阶段试验装置
• 5.2.2 试验结果与数据分析
• 5.3 金属表面干摩擦特性动态试验
• 5.3.1 动态阶段试验装置设计标准
• 5.3.2 金属干摩擦动态试验装置说明
• 5.4 试验结果与数据分析
• 5.4.1 45#钢的动态干摩擦阻尼特性
• 5.4.1.1 等效刚度与等效阻尼的计算
• 5.4.1.2 频率变化的影响
• 5.4.1.3 正压力变化的影响
• 5.4.2 铝合金的动态干摩擦阻尼特性
• 5.4.2.1 等效刚度与等效阻尼
• 5.4.2.2 正压力变化的影响
• 5.5 本章小结
• 6 发动机金属材料表面干摩擦特性的数字化仿真分析
• 6.1 概述
• 6.2 接触摩擦非线性有限元理论基础
• 6.3 干摩擦分析模型的建立
• 6.3.1 接触体的定义
• 6.3.2 接触摩擦模型
• 6.3.3 仿真研究平台
• 6.4 金属干摩擦有限元仿真分析
• 6.4.1 准静态金属干摩擦有限元仿真分析
• 6.4.2 动态金属干摩擦有限元仿真分析
• 6.4 本章小结
• 7 活塞-缸套系统干摩擦动力学耦合特性的仿真分析研究
• 7.1 概述
• 7.2 活塞-缸套摩擦副动力学耦合计算方法
• 7.3 多体动力学仿真分析
• 7.4 活塞-缸套摩擦副非线性接触响应分析
• 7.4.1 活塞-缸套摩擦副系统模型及边界条件
• 7.4.2 非线性接触摩擦仿真计算结果及分析
• 7.4.2.1 活塞侧向力仿真结果及分析
• 7.4.2.2 活塞侧向力作用下的机体动态结构响应
• 7.4.2.3 活塞-缸套系统摩擦力仿真结果及分析
• 7.5 考虑非线性接触摩擦的多体动力仿真分析
• 7.6 本章小结
• 8 全文总结
• 8.1 研究成果和结论
• 8.2 创新点
• 8.3 未来研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 教育经历
• 攻读博士期间发表的论文
• 攻读博士期间参与的科研项目