pro-e导入ADAMS

基于Adams的内燃机系统动力学仿真 2009年02月24日 CAD世界网

ADAMS(Automatic Dynamic Analysisof Mechanical System)是美国MDI公司(2002年被MSC收购)研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机专业软件。现在世界上主要汽车制造商都在应用 ADAMS数字化虚拟样机软件，它可仿真任何运动系统。 一、引言

汽车内燃机作为整车研发中技术含量最高、最核心的技术，开发目标的要求和难度越来越高。为满足现代汽车内燃 机工业的发展需要，必须对传统的以经验加试验的设计方法进行改进。近年来，虚拟样机技术在内燃机领域获得了越来越广泛的应用。ADAMS虚拟样机技术的基 本应用过程如图1所示。本文初步实现其中的前期处理部分，通过建立内燃机的虚拟样机模型，利用ADAMS软件对其进行了动力学仿真分析，仿真结果与客观实 际相符。本文应用虚拟样机技术对内燃机模型进行动力学仿真，为汽车内燃机的设计提供了新思路。

二、内燃机虚拟样机建模

(一)将三维模型导入ADAMS仿真环境

本文采用美国PTC公司的Pro/E作为建模软件，建立的内燃机主体三维模型如图2所示。然后利用ADAMS/Exchange模块将在Pro/E 中装配好的内燃机模型导入ADAMS/View环境下(先将文件转换为.igs格式)，在这个过程中内燃机各个零件之间的装配关系是保持不变的，建立的虚 拟样机如图3所示。

(二)2.2材料设置及运动副的施加

将三维模型导入ADAMS后，需对模型赋予材料属性，力学属性，再根据实际的运动学关系对发动机模型主要部件之间施加约束，定义构件运动的初始条 件，将其定义为机械系统仿真模型，进行系统动力学仿真。

本文创建活塞零件材料为铝合金，其密度和弹性模量设置如图4所示，同理给连杆、曲轴、气阀和凸轮轴设置材料属性。使用ADAMS/View中的约束 库在零件之间创建约束副(Constraint)，以确定零件之间的连接情况以及零件之间是如何相对运动的。

1.将气缸盖与气缸体定义为固定体，与大地(ground)相联; 2.凸轮轴与气缸盖之间的旋转副(RevoluteJoint);

3.凸轮轴与气阀之间定义为固体与固体接触(Contact-SolidtoSolid); 4.四个气阀与气缸盖之间的移动副(TranslationalJoint); 5.活塞与气缸体之间的移动副; 6.活塞销与连杆小头之间的旋转副; 7.连杆大头与曲柄之间的旋转副; 8.曲轴与气缸体之间的旋转副。 (三)载荷的施加

载荷的施加包括定义气缸对活塞的压力、气阀杆顶端和气缸盖之间的弹簧力、凸轮和气阀之间加入面-面接触力、重力加速度。其中，根据气缸内流体动力学 数值仿真结果，利用一个工作循环内的缸内压强数据，可以得到气缸内压强曲线(DataSpline)SPLINE_fpiston，如图5所示。图中自变 量X表示时间(单位为毫秒)，因变量Y表示气缸内气体压强(单位为105帕)。活塞所受的总的气体平均压力为活塞上、下两侧空间内的气体压强差与活塞截面 积的乘积。在ADAMS中燃气压力采用Spline函数进行曲线定义，采用AKISPL函数式进行表达。

三、测试和验证模型

创建完模型后，可以对模型进行运动仿真，通过测试整个模型或模型的一部分以验证其运动的正确性。在对模型进行仿真的过程中，ADAMS/View自 动计算模型的运动特性和力学特性，如距离、速度、加速度、力、力矩等信息。 (一)创建驱动(Motion)

创建旋转驱动MOTION_crank，将它应用于曲轴与气缸体之间的旋转副

JOINT_revcrank。设置发动机以恒定转速运行，转速为 3000rpm;设置仿真步长为0.1ms，仿真时间为40ms，即发动机的一个工作循环，仿真类型为动力学仿真(Dynamic)。

(二)创建测量(Measure) 1.曲轴转角和连杆摆角

利用函数创建曲轴转角(rotate_angle)的测量参数，输入参数表达式0.1PItime;利用角度测量方法 (BuildMeasureAngle)创建连杆摆角(tilt_angle)的测量。 2.活塞所受合力及发动机的指示转矩

当不考虑与气缸壁的摩擦力时，活塞所受合力为作用于活塞上的气体压力和惯性力，由于作用方向都是沿气缸中心线，故作用于活塞上的合力是气体压力与往 复惯性力的代数和，所以合力的参数表达式

为：.engine.piston_gas_force+.engine.piston_inertia_force合力将在曲柄连杆机构中产生一系列的 力和力矩。如图6所示，可以将合力F进行分解以分析力的传递效果。发动机指示转矩(indicate_torque)的参数表达式 为：