基于ADAMS的发动机曲轴系动力学仿真.docx
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基于ADAMS的发动机曲轴系动力学仿真
收稿日期:
2008-04-10修回日期:
2008-05-12
作者简介:
王勇(1982-,男,硕士,助理工程师。
研究方向:
舰船监造及抗冲击技术。
E-mail:
wywetmio@126.com
文章编号:
1671-7953(200804-0031-04
基于ADAMS的发动机曲轴系动力学仿真
王勇1
张昭1
黄映云2
刘震
2
(1.海军驻武昌造船厂军代室,武汉430064;2.海军工程大学动力工程学院,武汉430033
摘要:
建立包括柔性曲轴、活塞组、连杆组及飞轮在内的某型发动机刚柔体混合动力学仿真模型,在1500r/min工况下,对发动机进行刚柔体混合动力学仿真,得到了发动机的曲柄销负荷、活塞销负荷及最大动态应力等仿真结果。
关键词:
发动机;曲轴系;刚柔混合;动态仿真中图分类号:
TP391.9;U664.2文献标志码:
A
DynamicalSimulationoftheCrankshaftSystemof
EngineBasedonADAMS
WANGYong1,ZHANGZhao1,HUANGYing-yun2,LIUZhen2
(1.NavyAuthorizedDeputyAgencyinWuchangShipyard,Wuhan430064,China;
2.SchoolofNavalArchitectureandPower,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,ChinaAbstract:
Arigidmixedflexibledynamicsimulationmodelwasbuiltupfortheenginecrankshaftwhichin-cludedthecrankshaft,thepiston-connectingrodandtheflywheel.Byusingthemodel,themaindynamicpa-rameterssuchastheloadingsincrankpinsandmainbearings,themaximumdynamicstressofthecrankshaftandsoonwererespectivelycalculatedundertherateofrotationof1500r/min.
Keywords:
engine;crankshaftsystem;rigidmixedflexible;dynamicsimulation
由于曲柄连杆机构的整个传动链是由一系列几何形状和刚度、质量各不相同的零部件所组成,而且曲轴通过多个轴承与气缸体连接,传统的分
析方法是在对各构件进行运动分析的基础上,计算出各自产生的旋转惯性力和往复惯性力,与气体爆发压力合成后求解出对机体的作用力以及曲轴系振动的激振力,过程烦琐。
借助动力学仿真软件ADAMS,以某型发动机曲柄连杆机构为研究对象,利用衬套的力元对主轴颈处的弹性支撑状况进行模拟,考虑惯性力、气缸压力和支撑的弹性,建立发动机的动力学仿真分析模型,分别进行刚体动力学和刚柔体混合动力学仿真分析。
1刚体动力学仿真模型
曲轴轴系动力学仿真模型主要包括曲轴的刚、
柔性体模型,活塞组件、连杆组件和飞轮的刚体模型,以及各构件间的连接副和作用于系统上的外力。
1.1曲轴轴系三维模型建立
曲轴系的实体模型在Pro/E中建立,并赋予模型相应的材料和质量属性,利用Pro/E和AD-AMS的Mechpro,导入到ADAMS中。
1.2边界条件
将曲轴分为单个曲柄之后,整个曲轴活塞连杆机构就演变为6个如图1所示的曲柄滑块机构
的组合。
图1曲柄滑块机构
其中OA、AB为曲柄、连杆,B为活塞;M2、
M1为连杆等效质量,根据零件间的实际运动关系即可简化成ADAMS中的运动副理想约束。
第37卷第4期2008年8月船海工程SHIP&OCEANENGINEERING
Vol.37No.4
Aug.2008
设定曲轴与连杆为圆柱副连接,活塞与基础为平动副,活塞与连杆之间定义为圆柱副,曲轴与基础为铰接副,曲轴与飞轮为固定幅连接。
1.2.1施加气体压力及反转矩
作用于整个机构上的主动力为气体爆发压力p,视为分布力作用于活塞端部,大小为气体压力与活塞投影面积的乘积。
6缸作用的气体压力基本相同,只是各缸发火时刻不同导致出现峰值的时刻不同,发火顺序和发火间隔角见图2
。
图2发火顺序和发火间隔角
则压力中可由AKIMA插值方法[2]获得,利用样条函数Akispl可以实现该插值的计算:
p=Akispl(angle,ang_v,spline(1式中:
angle曲轴转角;
ang_v曲轴转速;
spline三维空间样条曲线。
p由试验测得,该样条曲线反映的是不同转速下曲轴转角与压力之间的关系。
气体爆发压力曲线见图3
。
图3气体爆发压力曲线
Me=
e
n
(2
式中:
Me发电机输出转矩;
Pe额定功率;n转速。
将转矩作为阻力矩施加在曲轴输出端,使得曲轴在分析中保持转速平稳。
1.2.2油膜的模拟
主轴承是发动机曲轴系统动力学分析中非常重要的环节[3-4]。
对主轴承的模拟有线性弹簧阻尼、非线性弹簧阻尼、流体有限元等模型。
本文采用相对简单的单排线性弹簧阻尼模型,又因为曲轴工作时是由油膜支撑的,所以只考虑油膜支撑。
采用如图4所示的支撑方式来模拟机体主轴承润滑油膜对曲轴的约束支撑作用,即采用水平和竖直两个方向的弹簧单元来模拟主轴承对曲轴的约束作用
。
图4曲轴主轴承支撑示意图
ADAMS中有一种叫衬套的力元,它可以在两个构件之间提供作用力,起到约束构件的作用,类似于将两个构件用弹簧连接起来。
在曲轴的主轴颈与轴承座之间施加衬套,并设置X、Y方向的刚度系数和阻尼系数,见图4。
按上述方法对曲轴轴系各零件施加约束,建立曲轴系的刚体动力学模型,见图5
。
图5曲轴系刚体动态仿真模型
2刚柔体混合动力学仿真模型
曲轴作为发电机的中枢,其柔性作用对整个发动机的动力学特性有非常重要的影响,所以曲轴在工作时产生的弹性变形必须在计算分析中予以考虑。
曲轴柔性体的建模可以采用文献[5]所介绍的方法。
uf=<#qG
式中:
<模态向量矩阵,<=[U1,U2,,,UN];
N模态向量数;
qG模态坐标,qG=qG(t。
模态分析利用有限元分析软件来完成,通过生成模态中性文件(*.mnf文件,可直接输入
基于ADAMS的发动机曲轴系动力学仿真王勇,张昭,黄映云,刘震
ADAMS建立柔性体模型。
采用MSC.Patran\Nastran对曲轴进行有限元模态分析,得到了含应力信息的柔性体文件,然后在刚体动力学仿真模型中将曲轴进行刚、柔性体替换,而约束及边界条件不变,即得曲轴系的刚柔混合动力学模型。
2.1有限元模型
利用MSC.Patran对曲轴的完整模型进行四面体网格处理,共有136306个单元,28462个节点。
建立有限元模型与Adams连接的节点,利用多点约束的特性,用Reb2单元连接节点与曲轴销表面的节点,生成蜘蛛网状结构,有限元模型见图6
。
图6曲轴有限元模型
2.2模态分析
曲轴材料为42CrMoA,弹性模量为210GPa,泊松比为0.282,密度为7.83mg/mm3
利用软件MSC.Nastran对曲轴进行有限元模态分析,产生一个包含曲轴材料、节点、单元和模态信息的模态中性文件,为下一步ADAMS中建立曲轴系的刚柔性体混合仿真模型做准备。
得出曲轴的前30阶模态见表1。
表1曲轴各阶模态频率表
模态
频率/Hz模态频率/Hz
模态
频率/Hz1
011924.09211777.1920121149.17221928.9830131193.54232100.87
40141238.1124
2241.1250151318.89252299.5160161354.05262351.277412.74171423.80272375.158442.91181561.92282526.919644.32191570.57292585.5210
828.42201623.67
30
2751.37
前6阶为刚体模记,所以频率为0,在动力学分析中不需考虑这6阶模态。
将有限元分析所得曲轴的网格模型替换动力学仿真模型中的刚体,发动机曲轴系刚柔体混合
仿真模型见图7。
图7曲轴系刚柔体混合仿真模型
3动力学仿真及结果
对建立的刚柔体混合动力学模型进行仿真,曲轴视为匀速旋转,转速为1500r/min,稳态仿真两个工作循环,曲轴旋转4周。
取曲轴第1个周期的仿真结果进行分析,曲柄销负荷、活塞销负荷分别见图8和9。
图8曲柄销负荷
图9活塞销负荷
传统的曲轴有限元分析都是通过等效力的方法实现的,其实质仍是静态分析[6],如对发动机整体有限元分析则由于模型太复杂,难以得出正确结果。
本文通过有限元软件柔化曲轴进行混合动力学仿真,实现了对关键部分的曲轴的动态分析。
既简化了计算,又较精确地计算了曲轴的应力。
曲轴最大应力云图和最大应力点时间应力曲线见
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图10和11
。
图10曲轴最大应力云图
图11最大应力点时间-应力曲线
由于曲轴的扭振和弯振是造成曲轴疲劳损坏的主要因素,本文提取了弯曲、扭转、弯扭耦合3种典型的振型。
7~12阶模态影响比较见图12
。
图12阶模态影响比较图
虚线7~9阶为纯弯曲模态,虚线10,11阶为
弯扭耦合模态,实线12阶为低频纯扭转模态,从图中的7~12阶模态影响图可以看出,扭转模态对曲轴的变形影响最大,也说明扭振因数比弯振因数对曲轴寿命的影响要显著得多。
4结束语
由于发动机模型比较复杂,应用有限元软件来计算结构的动力学问题是很困难的,特别当机构的运动关系存在非线性特性,还要考查结构在运动过程中的应力,而有限元软件是不能直接处理这类问题的。
通过对有限元分析和动力学仿真,可以很好地解决这类问题。
本文所
建立模型也可进行设备非常规状态下的动力学分析。
通过柔化所需分析部件,即可对该部件进行受力分析,结合疲劳分析软件,还可进行设备的疲劳计算。
本文所采用的支撑油膜压力是定值,实际中是变化的。
今后可在实验的基础上编写流体动力润滑方程程序,用以模拟主轴承及润滑油膜的刚度和阻尼以提高计算精度。
参考文献
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[6]冯国胜,张幽彤,张玉申.柴油机曲轴静动特性的三维
有限元分析[J].内燃机工程,2003(2:
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