基于多体系统仿真的内燃机曲柄连杆机构动力学分析

基于多体系统仿真的内燃机曲柄连杆机构

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动力学分析

陕西理工学院 机械工程学院 机自S1201

宋涛

2015.3.27

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基于多体系统仿真的内燃机曲柄连杆机构动力学

分析

宋涛 韶山 穆周周 陕西理工学院 机械工程学院 机自S1201班

摘要：为解决如何真实模拟内燃机振动噪声激励载荷的关键技术问题，本文基于多体系统动力学方法，实现了对某种型号柴油机曲柄连杆机构的动力学仿真分析，得到相关载荷参数，为后续内燃机整体噪声分析和预测，提供更为准确的边界条件。 关键词：多体系统，仿真，曲柄连杆机构，内燃机。

引言

随着车辆保有量的日益增长，车辆噪音已经成为城市噪音的最主要来源。内燃机的辐射噪声，是车辆噪声的最大贡献者，所以，积极开展针对内燃机噪声的分析和控制方面的研究工作具有重要的现实意义。进行准确可靠地激励源分析研究，是开展内燃机振动噪声研究工作的基础。然而，传统的质点力系分析方法无法计算具体结构的弹性特征，无法满足当代对激励力精确分析的要求。本文将以某种型号的柴油机为例，研究基于多体系统动力学理论进行内燃机内部振动噪声激励源特性分析的方法和途径。 1.三维CAD实体模型的建立

内燃机曲柄连杆机构包括活塞组，连杆组和曲轴飞轮组三大部分。 进行内燃机曲柄连杆机构多体系统仿真分析，首先需要利用Proe工具软件建立各构件的三维实体模型，然后根据各构件之间的相互关系进行装配，从而得到整个机构的实体模型。

此时所建立的各构件均为刚体模型，利用这些模型可计算得到建立曲柄连杆机构运动学所需要的零件质量，质心位置及转动惯量等参数。 2.多体系统动力学模型的建立

将上述所建立多体系统模型导入机械系统仿真软件Adams中，得到曲柄连杆机构动力学仿真分析模型。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。

2.1 关键零部件柔性化处理

由于实际的金属结构件都是弹性体，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，需要对曲轴，飞轮等主要零件进行柔性化处理。

经柔性化处理后，构件各部分之间用相对描述法来表示的，其变形运动可近似的通过离散的有限个自由度位移来表示，并且在弹性变形小的范围内，该位移可用模态向量及模态坐标的线性组合来描述，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。

在有限元软件中，对所建立的柔性体模型进行模态综合分析，得到一个包含零件材料，节点，单元和模态信息的mnf模态中性文件。将通过有限元软件柔性化处理过的构件（mnf模态中性文件）导入Adams刚体模型中，并替代原刚体模型中的对应刚体模型，则得到包含柔体的多体系统动力学仿真分析模型。 2.2 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边界条件。 2.2.1 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

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的运动规律而施加的一类约束。主要包括限制活塞只可以沿着缸筒直线运动的圆柱副，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轴销转动的转动副等。 2.2.2 内燃机工况边界条件

内燃机工况边界条件是指模拟内燃机实际工作状况的气体压力载荷和曲轴运动转速两种边界条件。在具体施加缸内气体压力边界条件时，应根据多缸内燃机的发火顺序调整各活塞表面的气体压力相位。惯性力载荷（包括往复运动惯性力和旋转运动惯性力两类)边界条件无需专门施加，它们将由所施加的曲轴转动角速度，以及Ansys软件计算得到的各构件质量分布情况，以体积力的形式自动施加给相应构件。 3.动力学仿真及部分仿真分析结果

在机械系统仿真软件Adams中，通过运动和气体压力驱动，完成曲柄连杆机构动力学仿真分析

3.1 运动学仿真结果

前述柴油机在标定工况下，内燃机的主轴承，承受来自曲柄连杆机构传递来的气压力和往复运动惯性力载荷，以及曲柄不平衡运转惯性力载荷，并传递给相应轴承座，沿此路线所传递的载荷是激发内燃机结构振动的最主要激励力之一，但是传统的轴承载荷分析方法无法计算曲轴等零部件弹性特性的影响，其分析结果误差较大。对一台内燃机而言，在所有主轴承中，前后端头的两个轴承由于主要承受一个气缸的冲击激励，载荷幅值相对较小。 4.方法总结

通过前述以某种型号柴油机为例所进行的曲柄连杆机构多体系统动力学分析，可总结得到针对该类问题分析研究的一套方法流程。 5.结束语

结合工程实例，本文介绍了基于多体系统仿真的内燃机曲柄连杆机构动力学分析方法，总结得到了一套针对该问题的仿真分析流程，对于需要计算构件弹性特性影响的多构件机械结构运动规律，力学分析等方面的研究具有一定的参考价值。

利用本文分析方法所得到的曲柄连杆机构动力学仿真分析结果，可直接用于后续对内燃机整机振动，噪声分析过程，由于计算了主要构件弹性特性的影响，所以，该分析结果较之传统的质点力系分析方法具有更高的分析精度和可靠性。

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