某新型发动机曲轴连杆活塞系统动力学建模与数值模拟

论文摘要

随着全球环境问题日益严重和能源的不断枯竭,提高发动机的性能、研发新型高效率低能耗的发动机已经成为必然趋势。而作为发动机中主要的动力机构,曲轴连杆活塞系统承载着将热能转换为机械能的核心任务,在整机中占有极其重要的地位,其动力学的性能直接影响到了发动机工作的稳定性和工作效率。所以对于某一型号新型发动机,对其核心部件曲轴连杆系统做动力学分析就显得极其重要了。本文针对某一新型发动机,对其特殊的曲轴连杆活塞系统,建立动力学模型并进行数值模拟,从而得到其相关的主要动力学参数。本文首先分析了曲轴连杆活塞系统动力学建模方面国内外的研究现状,并对所研究的新型发动机的特点进行了阐述；在此基础上,重点对活塞的二阶运动、活塞-缸套间的流体动压润滑模型、曲轴-主轴承间的流体动压润滑模型、整体系统的三维模型建立等问题进行了深入探讨。首先对活塞、曲轴、连杆三大部件分别进行运动学、动力学分析,重点考虑活塞二阶运动对整体模型的影响,建立曲轴连杆活塞系统的动力学模型；然后分别对曲轴-主轴承系统、活塞-缸套系统进行分析,建立流体动压润滑模型；在此基础上,对以上模型进行整合,得到系统的总体模型。建立了动力学模型之后,根据各模型的特点,选择合适的算法,对模型进行数值求解。在求解的过程中,根据实际的工作情况,对模型进行必要的简化,然后结合具体发动机的三维Proe模型,导入几何参数、物理参数、工况,对该具体发动机的模型进行编程求解。在程序编写过程中,选用工程中常用的Fortran语言进行编程,根据已编订的计算流程,先编写局部模型求解的子程序,然后对各子程序进行循环调用,得到模型的求解结果。通过建模与数值模拟,得到了该新型发动机的动力学参数,在此,因为常规的动力学参数比较有规律,且研究已有定论,所以重点分析活塞的二阶运动规律、曲轴的径向运动规律、缸套中油膜对活塞的作用力规律、主轴承中油膜对曲轴的作用力规律。对这些规律进行分析,得到影响这些规律变化的因素,从而可以得知工作过程中,影响发动机动力学性能的因素。与此同时,结合项目组所作的该模型的Adams软件仿真结果,对模型进行必要的修正,对数值模拟结果进行比较验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展动态
• 1.2.1 活塞二阶运动与活塞裙部润滑研究
• 1.2.2 曲轴轴承润滑研究
• 1.3 课题研究的主要内容和基本框架
• 第2章 考虑活塞二阶运动的曲轴连杆活塞系统动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 模型建立的假设与简化
• 2.3 曲轴-连杆-活塞系统的动力学模型建立
• 2.3.1 系统的运动学分析
• 2.3.2 系统的动力学分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 曲轴-轴承系统、活塞-缸套系统的流体动压模型的建立
• 3.1 曲轴-主轴承系统的流体动压模型建立
• 3.1.1 轴承润滑分析
• 3.1.2 曲轴轴承雷诺方程
• 3.1.3 轴承油膜支承反力的计算
• 3.2 活塞-活塞缸套系统的流体动力模型建立
• 3.2.1 活塞二阶运动
• 3.2.2 活塞-缸套系统动力学行为与摩擦学行为的耦合分析
• 3.2.3 活塞裙部-缸套之间的润滑模型的建立
• 3.2.4 油膜承载力与摩擦阻力的计算
• 3.3 本章小结
• 第4章 整体系统耦合模型的数值解法研究
• 4.1 动力学模型求解可行性的分析
• 4.2 模型整体解法思路及流程
• 4.2.1 数值计算的总体思路
• 4.2.2 数值计算的主要任务及方法
• 4.2.3 数值计算的主要流程
• 4.3 活塞-缸套系统润滑模型的数值解法
• 4.3.1 活塞-缸套系统润滑模型求解思路
• 4.3.2 活塞-缸套系统润滑模型求解方法
• 4.4 曲轴-主轴承系统润滑模型的数值解法
• 4.4.1 曲轴-主轴承系统润滑模型求解思路
• 4.4.2 曲轴-主轴承系统润滑模型求解方法
• 4.5 曲轴-连杆-活塞系统动力学方程的数值解法
• 4.5.1 线性加速度法
• 4.5.2 威尔逊（Wilson）-θ法
• 4.5.3 逐步积分法的求解过程
• 4.6 本章小结
• 第5章 曲柄连杆活塞系统动力学模型的数值求解及结果分析
• 5.1 动力学模型数值仿真参数
• 5.1.1 曲轴-连杆-活塞的几何、物理参数
• 5.1.2 气体燃爆力
• 5.1.3 发动机的输出转矩
• 5.2 动力学模型化简推导
• 5.3 Fortran编程求解
• 5.4 动力学模型运动学参数结果分析
• 5.4.1 活塞运动分析
• 5.4.2 曲轴运动分析
• 5.5 数值模型结果与软件仿真结果的对比验证
• 5.6 本章小结
• 第6章 活塞-缸套、曲轴-轴承润滑模型的数值求解及结果分析
• 6.1 活塞与活塞缸套润滑模型的数值求解及结果分析
• 6.1.1 活塞与缸套润滑模型的简化与仿真参数的设定
• 6.1.2 Fortran语言编程计算
• 6.1.3 活塞与缸套润滑模型求解结果分析
• 6.2 曲轴与主轴承润滑模型的数值求解及结果分析
• 6.2.1 曲轴与主轴承润滑模型的简化与仿真参数的设定
• 6.2.2 曲轴与主轴承润滑模型求解结果分析
• 6.3 数值模拟结果与软件仿真结果的比较验证
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 主要成果与结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 常微分方程中系数