发布时间 : 星期六 文章基于虚拟样机技术的内燃机动力学性能研究_学位论文更新完毕开始阅读14063e25001ca300a6c30c22590102020740f2d0
河南理工大学2011届本科毕业设计论文
美国波音飞机公司波音777飞机，是世界上首架以无图纸方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术例．这不但使研发周期大大缩短、研发成本显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。火星探测器“探路号”和Caterpiller公司大型设备虚拟仿真是虚拟样机应用的另外两个典型例子．
美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)成功地实现了火星探测器。探路号”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。JPL工程师利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段(进入大气层、减速和着陆)的工作过程。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功。
Caterpiller公司是世界上最大的拖拉机装配机和工程机械制造商之一。由于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，所以，为了提高竞争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。Caterpiller公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和实验步骤，实现了快速虚拟实验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。同样，作为生产工程机械的著名厂商JohnDeere公司，为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案。并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。
1.2 发动机国内外研究现状
1.2.1机构动力学分析方法的研究现状
目前国内外对内燃机工作机构的动力学分析方法很多，而且已经较完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动即位移、速度和加速
- 4 -
河南理工大学2011届本科毕业设计论文
度随时间变化的关系；动力学则是研究产生运动的力。内燃机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括对气体力、惯性力、轴承力和曲轴扭矩等的分析。传统的内燃机工作机构运动学、动力学分析方法主要有图解法和解析法。
（1）图解法
形象直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度、所受力的大小及改变趋势通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算结果正误的判断和解的初值选择，缺点是精度不高。不经任何计算，对曲柄连杆机构直接图解速度和加速度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂。
（2）解析法
解析法是对逐个构件列出平衡方程，通过各个构件间的联立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩。解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。
（3）复数向量法
复数向量法是以各个杆件做为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达，对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后，可以得到机构的运动性能.该法是工作机构运动分析的较好方法。
通过对机构运动学、动力学的分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和设计。但是过去由于手段的原因，大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析表达式，却难以计算出供工程设计使用的结果，不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来随着计算机的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程，从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。
1.2.2现代设计理论和方法在发动机开发中的应用
近年来随着市场竞争的加剧，产品的开发周期不断缩短以增强市场竞争力。但同时，为了提高产品质量和降低成本，需做大量实验、分析和数据处理，需要增加
- 5 -
河南理工大学2011届本科毕业设计论文
设计工作量。解决这对矛盾的办法便是采用先进技术和工具，将重点放在先期设计阶段，大量应用现代设计理论和方法。现代设计理论和方法是动态发展的，从狭义来说是为设计而建立的各种数学模型及求解这些模型的技术。它在内燃机产品设计中应用的范围十分广泛，主要有优化设计、有限元分析、计算机辅助设计、多刚体动力学分析、计算机辅助工程热力学分析等。
（1）优化设计
应用优化设计技术的目的在于改善内燃机产品的性能，减轻零件质量、降低应力、延长寿命、提高可靠性、降低成本。通过目标函数和约束条件对这些要求做数学描述，最后化为约束条件限定的可行域内多元函数求极值的问题，以求得整体的权衡折衷。通常采用较多的是有约束非线性规划法，国内已有不少单位对内燃机零件，如气门弹簧、活塞、连杆、曲轴等进行优化设计或从多方案中选优。
（2）有限元分析
有限元素法是利用变分原理将力学、热力学中的微分方程边值问题归结于泛函求极值问题，并利用计算机求解。从70年代起我国就在内燃机产品设计中应用有限元技术，应用ADINA等大型有限元程序系统计算与分析连杆、曲轴及增压器叶轮等内燃机零部件的静、动态应力和应变——结构强度与刚度问题，其成果已在中小型内燃机产品设计上推广应用。
（3）计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助设计（CAD）是从60年代发展起来的现代设计方法的重要分支，它从根本上改变了机械设计的传统模式，引起工程设计领域的深刻变革。同时它又综合性的应用了现代设计理论和方法，并将其有机地集成在CAD系统中。1993年由上海内燃机研究所负责，12所高校和研究所参加，成功开发了中小功率内燃机辅助设计系统（ICECAD）。该系统汇集了当前许多内燃机设计的新成果，采用该系统对内燃机产品(从零部件到整机)既可进行改进设计，又可进行全新设计，它是我国内燃机行业第一个完整的CAD系统。
- 6 -
河南理工大学2011届本科毕业设计论文
（4）多刚体动力学模拟（MBS）
多刚体动力学仿真(Multibodies Simulation)是近十年发展起来的机械计算机仿真技术。MBS提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于仿真实验，充分利用己有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。目前的MBS软件主要有Pro/Machanica，Working Model 3D，ADAMS等。MBS软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。
对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正。目前国内大学和企业已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构运动干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据。
[
1.2.3国内外对发动机机构平衡的研究现状
为解决发动机的平衡和振动问题，设计人员对机构进行了不断的改进和创新，如目前存在的双曲轴机构、无连杆机构、两角转子机构、无曲轴机构等。
单缸双曲轴发动机是90年代初期由洛阳工学院的钱程等人设计的，其结构要点是双连杆与双曲轴要相对于活塞轴线对称布置。采用双曲轴机构的优点是：发动机无需复杂的平衡机构即可消除活塞对气缸套的侧向力产生的摩擦损失与磨损，克服往复惯性力引起的振动与噪声，实现节能、省材、低振动的目的。
早在30年代，前苏联对无连杆发动机就有比较全面的论述与专著，并在蒸汽机和航空发动机上使用过。我国无连杆发动机的研究始于50年代，吉林工业大学将无连杆机构用于小型压缩机取得成功。山东、湖南等省有关专家先后试制过齿轮滑块
- 7 -