某新型柴油机曲轴连杆活塞机构动力学仿真分析

论文摘要

柴油机作为主要的动力装置,其设计和制造水平的进一步提高,对社会发展具有重要的意义,而柴油机主要运动机构动力学性能的优劣直接制约着其整体性能的好坏。随着柴油机升功率(额定功率／汽缸体积)的提高,柴油机零部件在缩减体积的情况下,还要增大功率,零部件承受的机械、热负荷剧增,因此对其运动机构的动力学分析更是至关重要。本文就该问题开展了系列研究工作。振声和噪声是柴油机研发流程中的一项关键性指标。本文利用多体动力学仿真软件ADAMS中的engine模块对机构进行了全局数据建模,并进行了多刚体动力学仿真,得出了曲轴主轴承处的受力情况；在考虑润滑油温度和粘度的基础上对活塞的二阶运动进行了动力学仿真分析,得出了在高速重载工况下活塞的侧推力、撞击能量损失及活塞与汽缸套间的间隙。研究表明随着随着柴油机速度的上升,撞击能量损失明显。本研究得出了机构的二阶运动动力学特性,并为其噪声分析奠定基础。曲轴作为柴油机的重要部件之一,受力情况十分复杂,是柴油机设计的难点。传统的设计采用静态的分析和设计方法,很难达到使用要求。本文应用Pro/ENGINEER软件、Hypermesh软件、多体动力学仿真软件ADAMS和有限元软件Ansys对柴油机曲轴连杆机构动力学性能进行了研究,建立了曲轴连杆活塞机构的虚拟样机模型。应用接口软件MECHANISM/Pro实现了Pro/ENGINEER和ADAMS之间的无缝连接。在考虑倒角等对应力分析影响严重的因素的情况下,分析得出了曲轴在工作周期内各个位置的载荷情况,并利用Ansys计算得出相应的应力应变云图,找到曲轴工作时的危险部位,为其优化奠定基础。研究结果表明,利用虚拟样机技术,结合有限元分析手段柴油机曲轴连杆活塞机构的动力分析取得了很好的仿真结果,同时对于柴油机曲轴连杆活塞机构的改进设计,提高柴油机设计水平及提高柴油机整机性能有着重要意义,是既经济又有效的科学化手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 发动机曲轴连杆系统动力学研究概况
• 1.3.2 现代设计理论和方法在柴油机开发中的应用
• 1.3.3 活塞二阶运动研究概况
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 曲柄连杆机构运动学及动力学分析
• 2.1 曲柄连杆机构运动学
• 2.2 曲柄连杆机构的动力学分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 曲轴系统多刚体动力学仿真分析
• 3.1 多刚体系统动力学基础
• 3.2 多刚体动力学的计算原理
• 3.3 ADANS/Engine模块介绍
• 3.4 曲轴连杆机构仿真模型建立
• 3.5 多刚体动力学仿真及结果分析
• 3.5.1 仿真结果及分析
• 3.5.2 仿真结果与数值模拟的比较验证
• 3.6 活塞的二阶运动分析
• 3.6.1 仿真结果及分析
• 3.6.2 仿真结果与数值模拟的比较验证
• 3.7 本章小结
• 第4章 曲轴系统柔体动力学仿真分析
• 4.1 多柔体动力学计算原理
• 4.2 三维CAD建模
• 4.3 导入ADAMS/View
• 4.3.1 MECHANISM/Pro介绍
• 4.3.2 模型导入ADAMS
• 4.4 柔性体模型建立
• 4.4.1 模型前处理
• 4.4.2 生成模态中性文件
• 4.5 柔体动力学仿真
• 4.5.1 替换刚形体
• 4.5.2 设置柔性体并仿真
• 4.5 曲轴动态相应分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 全文工作内容总结
• 5.2 结论与展望
• 5.2.1 结论
• 5.2.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录