车用空压机曲轴连杆机构的动力学分析与仿真

论文摘要

曲轴是活塞式压缩机的关键部件之一,在压缩机工作过程中承受复杂、交变的动态载荷,从而使曲轴有着复杂的动态特性,其动态特性的好坏直接影响压缩机整机的可靠性和寿命等,因此对曲轴的动态特性进行理论和实际的研究分析具有重要的现实意义。传统的设计、分析方法的简化难以满足企业的需要,而多体动力学和有限元法的发展使得较精确的分析曲轴动力学响应问题成为可能。本文以EQ1141G型车用空压机为研究对象。首先,分析了压缩机曲柄连杆机构的运动规律,并采用Matlab程序设计语言实现曲轴连杆机构的运动学仿真,得到了压缩机活塞位移与曲轴转角的一一对应关系,便于计算压缩机各工作过程端点的活塞位移值,从而迅速地确定对应时刻的曲轴转角值。其次,在分析压缩机曲轴连杆机构拓扑构型的基础上,采用多体动力学仿真软件ADAMS分别建立曲轴连杆机构的多刚体动力学模型和多柔体动力学模型,通过对比两种模型的仿真分析结果得知,曲柄连杆机构中与曲轴弹性体不发生相互作用的刚性部件之间以及连杆小头和活塞销之间的相互作用关系用两种模型都可以得出比较准确的分析结果;而曲轴和轴承之间的相互作用只有多柔体动力学模型能够给出合理且相对准确的分析结果。最后,通过采用多柔体模型进行仿真分析得到的作用在曲轴轴颈及曲柄销上的动态载荷作为曲轴动态响应分析的边界条件,运用有限元分析软件ANSYS对曲轴进行较为精确的应力、变形分析,以获得曲轴在整个工作行程中的动态响应,从而可以方便的找到曲轴工作时的危险部位,为曲轴优化提供理论基础。研究结果表明,利用虚拟样机技术和有限元法相结合的手段可以获得较高精度的曲轴动力学响应分析结果,同时对于压缩机曲轴的改进设计,提高压缩机设计水平及提高压缩机整机性能有重要意义,是既经济又高效的科学化手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 空压机研究现状与发展趋势
• 1.2.1 国内空压机发展现状
• 1.2.2 国外空压机发展现状
• 1.2.3 往复压缩机新进展
• 1.2.4 曲轴系统动力学研究现状
• 1.3 关键技术
• 1.3.1 虚拟样机技术
• 1.3.2 有限元法
• 1.4 研究内容及方法
• 第2章 车用空压机的工作原理和运动学分析
• 2.1 车用空压机结构及工作原理
• 2.2 曲柄连杆机构的运动学分析
• 2.3 基于Matlab的活塞运动规律计算
• 第3章 曲轴连杆系多刚体动力学分析
• 3.1 曲柄连杆机构的动力分析
• 3.1.1 曲柄连杆机构的动力学分析
• 3.1.2 影响曲柄连杆机构动力的因素
• 3.2 曲柄连杆系多刚体动力学建模
• 3.2.1 曲柄连杆系的拓扑构型
• 3.2.2 曲柄连杆系实体模型的建立
• 3.2.3 曲柄连杆系多刚体动力学建模
• 3.3 曲轴连杆系多刚体动力学仿真
• 3.3.1 曲轴连杆系运动仿真分析
• 3.3.2 曲轴连杆系动力仿真分析
• 第4章 曲轴连杆系多柔体动力学分析
• 4.1 ADAMS多柔体动力学理论基础
• 4.2 曲轴连杆系多柔体动力学建模
• 4.3 柔体模型与多刚体模型仿真结果对比及分析
• 第5章 曲轴结构的动态响应分析
• 5.1 曲轴结构的模态分析
• 5.1.1 曲轴有限元模型的建立
• 5.1.2 曲轴结构模态分析计算结果
• 5.2 曲轴结构瞬态动力响应
• 5.2.1 瞬态动力学概论
• 5.2.2 曲轴瞬态动力响应分析
• 5.2.3 曲轴瞬态动力响应分析结果
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文