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船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析
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船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析
第一章 绪论
1.1课题来源及意义
当今全球经济日益繁荣，国国之间外贸联系日益紧密，90%的进出口是靠船舶运输的。柴油机有以下突出优点，a.经济性好b.功率范围宽广c.尺寸小，重量轻d.机动性好e.可靠性高，寿命长，维修方便。因此船舶的动力和电力系统绝大部分情况依赖柴油机，所以研究船舶柴油机有很大的必要性。在大多数情况下，大型低速长行程十字头二冲程柴油机作为主机，带动轴系，最终推动螺旋桨产生动力推进船舶前进；中速四冲程筒形柴油机作为发电机组的原动机，带动发电机发电供全船照明和动力用电。
无论四冲程还是二冲程柴油机的核心都是曲柄连杆机构。曲柄连杆机构是柴油机主要运动部件，能将活塞的往复运动转换成回转运动，并产生动力，驱动外部设备。曲柄连杆机构运动和受力都比较复杂，因此无论是设计人员在设计过程中，还是轮机员在日常维修保养中都非常关心它的性能。
本文以船用柴油机曲柄连杆为例，对曲柄连杆机构进行运动和动力分析，用机械系统动力学自动分析软件ADAMS（Auto Dynamic Analysis of Mechanical Systems）为工具，对二冲程柴油机进行运动仿真及分析，使对柴油机工作原理有更为深刻的理解，方便轮机人员在日常工作中管理主机和发电柴油机。
[1]1.2国内外研究状况
1.2. 1 机构动力学分析方法研究现状
当前，国内外对柴油机工作机构动力分析方法较多，且都比较完善和成熟。
曲柄连杆机构运动学分析就是研究曲柄和连杆，连杆和活塞的相对运动即位移、速度和加速度随着时间的变化规律。动力学则是研究受力情况。柴油机曲柄连杆机构的动力学分析包括气体力，惯性力，轴承力，曲轴扭矩等的分析。传统柴油机主要工作机构的运动及动力分析的方法主要包括图解法、 解析法以及复数向量法
[2]。
（1）图解法 形象直观，机构各组成部件的速度、位移、加速度、所受力的大小以及改变趋势通过图解形式一目了然。作为解析法的辅助手段，图解法能用于对计算结果正确与否的判断和解的初值选择，其缺点是精度很低。不经过任何的计算而图解得到曲柄连杆机构速度及加速度的方法最早由克莱茵提出，但其方
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法十分复杂
[3]。
（2）解析法 解析法是对每个构件列出平衡方程，然后通过各个构件间的联系建立线性方程组而求解运动副约束反力及平衡力矩。解析法又包括单位向量法和直角坐标法等。
（3）复数向量法 复数向量法是以各个杆件作为向量，把复平面上的连接的过程用复数形式来表达，对于包括结构参数和时间参数的解析式对时间求导后，即可以得到机构的运动性能。该方法是工作机构运动分析中较好方法。 通过对柴油机曲柄连杆机构运动学和动力学的分析，可以很直观了解柴油机的运动性能和运动规律，从而能更好地帮助我们设计和管理好运动机构。但是大部分复杂机械运动虽然给出解析式，却难以计算出结果，只能用近似的图解法求得数据。近些年来，随着计算机的发展，可以利用计算机对复杂解析式来求解，进而推动了力学性能分析和产品设计的进步。 1.2.2现代设计理论和方法在柴油机开发中应用
随着市场竞争的加剧，近年来，产品的研发周期不断缩短以增强市场竞争。而同时为了提高产品质量及降低成本，需要做大量实验、分析和进行处理数据，因此大大增加了设计人员的工作量。解决这个问题的方法就是利用先进的技术和工具，加强先期设计阶段的重要性，大量应用现代设计理论和方法
[4]。现代设计
理论和方法是动态发展的，狭义的讲是为设计而建立各种数学模型及求解这些模型的技术
[5]。它在柴油机产品设计中应用范围十分广泛，主要包括优化设计、多
刚体动力分析、有限元分析、计算机辅助设计、计算机辅助工程热力学分析等。 (1)优化设计 采用优化设计技术的目的在于改善柴油机产品的性能，用来减轻零件质量、降低应力、延长寿命、提高可靠性并降低成本。通过目标函数和约束条件对这些要求做出数学描述，并最终化成约束条件限定在可行域内多元函数求极值的问题，以求得整体的权衡折衷
[6]。通常较多采用的是有约束的非线性规
划法，国内已多家单位对发动机零件，如连杆、气门弹簧、活塞、曲轴等进行优化设计或从多方案中选优。
(2)有限元分析 有限元素法即应用变分原理将力学、热力学中微分方程边值问题最终归结于泛函求极值问题，并利用计算机求解。从70年代开始我国便在柴油机产品设计中采用有限元技术，利用Syst us、ADINA等大型有限元程序系统来计算和分析连杆曲轴及增压器叶轮等发动机零部件的静动态应力与应变---结构强度和刚度问题，其成果己在中小型发动机产品设计上得到推广应用。 (3)计算机辅助设计(CAD) 计算机辅助设计(CAD)是从上世纪60年代发展起
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来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现代设计理论及方法，并将其有机地集成于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，成功开发中小功率内燃机辅助设计系统(ICECAD)。这个系统汇集了当前许多内燃机设计的新成果，应用这个系统对内燃机产品(从零部件到整机)既可进行改进设计，也可以进行全新设计，它是我国内燃机行业中第一个完整CAD系统。 ( 4)多刚体动力学模拟(MBS) 多刚体动力学模拟(Multibodies Simulation)是近十年才发展起来的机械计算机模拟技术。MBS提供了在设计过程中对设计方案进行分析及优化的有效手段。在机械设计领域得到越来越广泛的应用。它利用计算机建造的模型对实际机械系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验，充分利用已有的基础的物理原理，采用与实际物理系统实验相似研究方法，然后在计算机上运行仿真实验。日前的MBS软件主要由Pro／Machanica、Working model 3D、ADAMS等组成。MBS软件的最大优点在于分析过程中无需要编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产及试验。
1.3本文主要研究内容及思路
本篇文章主要运用理论分析、计算机仿真相结合的方法对船用柴油机曲柄连杆机构进行运动学分析仿真及动力分析。 主要思路如下：
（1）建立简化的柴油机曲柄连杆机构动力学和运动学模型。如活塞的速度、位移和加速度模型，体现理论指导仿真的目的。
（2）在Pro/e环境下建立二冲程柴油机曲柄连杆机构的运动模型，并导入Adams/view 环境中。
（3）用Adams软件进行运学仿真及分析，给出主要部件在任意时刻任意位置运动规律（如位移，速度，加速度等），并给出动态仿真的过程。对结果进行分析，得出相关结论，来帮助轮机人员对柴油机曲柄连杆进行更深入了解。
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第二章 四冲程柴油机曲柄连杆机构运动和动力学
柴油机曲柄连杆机构类型[7]有很多，按运动学观点分为三类，即：中心曲柄连杆机构、主副连杆式曲柄连杆机构和偏心曲柄连杆机构。其中中心曲柄连杆是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直对于曲柄的回转轴线。这种形式在内燃机中应用广泛。
本章将运用力学的基本理论知识进行单缸四冲程柴油机中心曲柄连杆机构运动学、动力学分析，这为后面的运动仿真分析的研究奠定理论基础。
2.1 中心曲柄连杆机构运动学分析
中心式曲柄连杆机构简图如图2.1所示，在图2.1中气缸中心线通过曲轴中心O，OB是曲柄，AB是连杆，B是曲柄销中心，A是连杆小头孔中心或活塞销中心。 当曲柄以等角速度?旋转时，曲柄OB中任意点都以O点为圆心做等角速度旋转运动，活塞A点将沿气缸中心线做往复运动，而连杆AB则做复合的平面运动，其大头B端与曲柄一端相连，做等角速度的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。为使问题简单化，在实际分析中，一般将连杆简化成分别集中于连杆大头及小头的两个集中质量，认为它们在分别做旋转和往复运动，这样以来就不需要对连杆的运动规律进行单独研究[8]。
当活塞做往复运动时，其速度和加速度是随时变化的。它的速度和加速度数值以及变化规律对曲柄连杆机构及发动机整体工作有很大影响，因此研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务是研究活塞的运动规律。 2.1.1 活塞位移
假设在某一时刻，曲柄的转角为?，按顺时针方向旋转，连杆轴线在连杆运动平面内偏离气缸轴线角度为?，如图2.1 所示。
当?=0?时，活塞销中心A在气缸最上面的位置A1，这个位置称为上止点。当
?=180?时，A点在气缸最下面的位置A2，这个位置称为下止点。
此时活塞的位移
[9]x为:
x=A1A= A1O?AO= (r+l)?(rcos??lcos?) （2.1） 为了分析方便将上式的变量消去一个，以?代替?。为此。在△OBA中，由正弦定理可
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