转子活塞发动机动力学特性研究与分析

论文摘要

传统往复式活塞发动机存在效率低、振动大、噪声大、功率密度小等一系列问题。为克服往复式活塞发动机的不足,论文提出一种新型转子活塞发动机方案。该发动机以齿轮-连杆机构作为功率传输机构,其结构十分紧凑,功率密度是传统内燃机的好几倍。论文围绕新型转子活塞发动机的动力学特性展开研究,主要研究内容包括以下几个方面:（1）采用矢量力学方法,利用牛顿力学定律和欧拉方程建立了功率传输机构的动态静力学模型方程组,分析了输出转轴在匀速转动的情况下各零部件的动力学情况,得到齿轮-连杆功率传输机构中各关键构件的动态静力学参数以及各运动副的约束反力。（2）利用Recurdyn动力学仿真软件建立发动机的虚拟样机模型,对发动机关键部件的角速度、角加速度以及质心加速度等特性以及各部件之间的约束反力进行了仿真分析。通过比较动力学仿真结果与动态静力学理论计算的结果发现,曲线变化规律基本相同,在极限位置处都存在冲击,验证了动态静力学模型的合理性。（3）采用专用数据传递接口,将发动机三维模型导入Ansys,并以此为基础,采用有限元方法,通过在模型上施加与实际情况相符合的边界条件分别完成发动机关键零部件和整机的自由模态分析以及约束模态分析,接着进一步对关键零部件进行了谐响应分析,较为深入地研究了各零部件以及发动机整机机体在不同频率载荷下的振动情况。验证了发动机零部件的设计合理性,避免工作时出现共振现象。（4）发动机刚-柔耦合体模型的初步研究。介绍了基于RFlex和FFlex的两种柔性体生成方法,并将生成的柔性体导入Recurdyn发动机模型中建立刚-柔耦合体模型,仿真研究了耦合体的力学特性。然后利用Adams软件对发动机整机进行了振动分析,获得耦合体模型的中低频模态。（5）文章最后开展了原理样机的运转试验,试验结果验证了发动机的运动规律,表明前期工作的正确性和可行性。下一步将建立试验平台,通过进一步的试验研究来指导发动机的改进和优化。本文对发动机功率传输机构及整机的动力学特性和振动特性的分析有助于更深刻的认识发动机的工作过程、更客观的评价发动机的性能,并为发动机的改进和研发提供新的方法和理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.1.1 论文的研究背景
• 1.1.2 论文的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 往复式活塞发动机研究现状
• 1.2.2 旋转式发动机研究现状
• 1.2.3 发动机动力学特性研究现状
• 1.2.4 发动机振动特性研究现状
• 1.3 论文主要工作
• 1.3.1 论文组织结构
• 1.3.2 论文研究内容
• 第二章 齿轮-连杆机构的动态静力学建模与分析
• 2.1 新型转子活塞发动机工作原理简介
• 2.2 齿轮-连杆机构的动态静力学建模
• 2.2.1 相关参数定义
• 2.2.2 动态静力学建模
• 2.3 动态静力学模型求解与分析
• 2.3.1 齿轮-连杆机构的动态静力学参数求解
• 2.3.2 运动副约束反力分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于Recurdyn的动力学仿真
• 3.1 前言
• 3.2 发动机虚拟样机模型的建立
• 3.3 基于Recurdyn的动力学仿真
• 3.3.1 动态静力学参数仿真分析
• 3.3.2 力学特性仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 转子活塞发动机固有振动特性分析
• 4.1 前言
• 4.2 发动机机体模态分析
• 4.2.1 模态分析的有限元基本原理
• 4.2.2 发动机机体实体建模
• 4.2.3 关键结构部件模态分析
• 4.2.3.1 自由模态分析
• 4.2.3.2 约束模态分析
• 4.2.4 发动机整机模态分析
• 4.2.4.1 发动机整机自由模态分析
• 4.2.4.2 发动机整机约束模态分析
• 4.3 发动机结构部件的谐响应分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 转子活塞发动机刚-柔耦合体初步研究及试验分析
• 5.1 前言
• 5.2 Recurdyn柔性体构件的创建
• 5.2.1 基于RFlex方法的柔性体建模
• 5.2.2 基于FFlex方法的柔性体建模
• 5.3 刚-柔耦合发动机动力学特性研究
• 5.3.1 耦合体模型的建立
• 5.3.2 刚-柔耦合体力学特性研究
• 5.3.3 刚-柔耦合体的振动分析
• 5.4 转子活塞发动机试验分析
• 5.4.1 发动机的加工和组装
• 5.5.2 转子活塞发动机的运转试验
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成就