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汽车发动机曲柄连杆机构运动规律仿真研究(二)

2017/11/16    来源:互联网    作者:黄硕      
关键字:曲柄连杆机构  多体系统动力学  模态分析  结构优化  HyperWorks  
本文从动力学角度研究了曲柄连杆机构的工作原理,建立简易曲柄连杆机构的三维实体模型,利用机械系统动力学仿真分析软件HyperWorks,对dCill发动机曲柄连杆机构进行仿真;并基于模态综合分析法研究柔性体的力学性能,对连杆进行了动态特性分析,得出连杆在自由模态情况下的模态振型;然后对该曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析,得到连杆在一个工作循环过程中应力变化规律,从而确定了连杆的受力边界条件以及危险工况分析,为连杆优化设计和强度校核提供了依据,并为进一步分析和研究曲柄连杆机构特性提供了参考。

3.1.2 多刚体系统模型建立

    建立发动机曲柄连杆机构的仿真模型所需的参数,可以总结归纳为四类:运动学(几何定位)参数、质量参数(质量、质心与转动惯量等)、力学特性参数(刚度、阻尼等特性)与外界参数(爆发压力)。

    将上述所建立的多刚体体系统模型通过Hy_perWorks中的MotionView模块,得到曲柄连杆机构动力学仿真分析模型[7]。此时的多体系统动力学分析模型中的全部构件均为刚体,所以得到的是一个多刚体系统模型,如图3所示。

    6

    图3 多刚体系统模型

3.1.3 边界条件处理

    曲柄连杆机构多体系统仿真模型中,包含两类边界条件:一类是限制个构件间相对运动关系的运动约束边界条件,另一类是内燃机工况运动条件。

    运动约束边界条件:运动约束边界条件,是指对各构件的运动自由度进行限制,使之实现与真实机构完全相同的运动规律而施加的一类约束。

    王要包括限制活塞只可以沿着缸筒自线运动的圆柱副、限制曲轴只可以发生绕其轴线转动的转动副、连杆大头只可以发生绕曲柄销转动的转动副等。

    (1)将曲轴轴承与大地(ground)相联,设为旋转副(RevoluteJoint)。

    (2)活塞与气缸体之间为移动副(TranslationalJoint)。

    (3)连杆大头与曲轴之间为旋转副。

    (4)活塞与连杆之间为旋转副。

    内燃机工况运动条件:使曲轴转动为动力源;同时将曲轴绕Y轴匀速转动为曲柄连杆机构的驱动源,其大小为曲轴额定转数4000rad/min。

3.2 刚柔耦合多体动力学模型建立

    由于实际的金属结构构件都是弹性体,为了计算关键零部件的弹性特性对内燃机内部的激励载荷的影响,本文主要对于某一部分进行分析,于是对于连杆进行柔性体分析。

    经柔性化处理后,构件各部分之间将用相对描述法来表示的,其变形运动可近似地通过离散的有限个自由度位移来表示,并且在弹性小变形的范围内,该位移可用模态向量及模态坐标的线性组介来描述,因此可以采用有限元法对零件进行离散化并进行模态综合分析,将其结果用于柔性体建模。

    根据上一节使用有限元分析软件HyperWorks对连杆进行模态分析产生柔性体(.h3d)文件,柔性体放在整体惯性坐标系的原点上,并且与模型中其它零件没有任何关系。接下来要在柔性体与零件之间施加约束、作用力,施加约束、作用力时注意,有时要通过使用无质量(或者质量非常小)连接物体来间接施加。

4 柔性多体动力学模型结果分析

4.1 柔性体不同工况下应力图

    通过HyperView视图软件对连杆柔性体不同工况下的应力情况,不同工况下柔性体连杆应力图如图4所示。

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    图4 不同工况下柔性体连杆应力图

4.2 连杆边界条件及结果分析

    通过HyperGraph(2D)模块对仿真结果进行查看,对MotionView/MotionSolve计算Transient瞬态运行。

    活塞组往复惯性力由往复运动质量in」所产生的惯性力,简称往复惯性力,往复运动质量集中到活塞销中心处并作往复直线运动的质量,它等于活塞质量与简化到连杆小头的连杆组质量之和,由于简化到连杆小头的连杆组质量与活塞组相比较很小,所以这里将活塞组的质量近似看作往复运动质量当曲轴连杆机构运动时,往复惯性力大小如公式(1)所示:

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    即往复惯性力Fj的方向与活塞加速度a的方向相反。

责任编辑:张纯子
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