多体动力学在车用发动机上的应用.ppt

结构建模与仿真结构建模与仿真 多体系统动力学建模与仿真 中北大学中北大学 张保成张保成 多体系统动力学 在车用发动机上的应用 张保成 本次报告的内容及目的 动力学的发展历史、研究范围及意义 动力学的分类及理论基础 多体系统动力学在车用发动机上的应用 多体系统动力学在其他方面的应用及展望 动力学的研究范围及意义 动力学的研究可谓广泛，小到微观 世界分子原子间的运动及作用力，大 到宏观世界飞机、坦克、大炮、天体 运行；近到地球上人们的衣食住行，远 到勇气号的火星探测，乃至宇宙中星系 间的碰撞问题，无不是动力学涵盖的范 围。 动力学的发展历史 1687年，牛顿在自然哲学的数学原理中的三 条运动定律，奠定了经典力学的基础 最早的工作是H.J.Fletcher等人在1963年讨论的由 两个刚体组成的系统，使用的是向量力学中的 Newton-Euler法 多柔体系统动力学的研究开展得略晚一点。早期 有P.W.Likins在70年代初的研究工作，他采用的是 混合坐标，后来被称为多柔体族系统。 经典动力学 牛顿三大定律 能量、角动量和动量的变化规律及其守恒 规律 动能定理： 柯尼希定理： (Konigs theorem ) 经典动力学 角动量定理 动量定理 虚位移原理 达朗伯尔原理 受理想约束的质点系不含 约束力的平衡方程 提供了求解动力学问题的 另一种方法,即将动力学的 问题在形式上化为静力学 的问题来进行求解 经典动力学 拉格朗日方程 动力学普遍方程在广义坐 标下的具体表现形式 经典动力学 哈密顿正则方程 多刚体系统动力学 多体系统动力学：包括多刚体系统动力多体系统动力学：包括多刚体系统动力 学和多柔体系统动力学。学和多柔体系统动力学。 多体系统动力学是研究多体系统（一般多体系统动力学是研究多体系统（一般 由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成）由若干个柔性和刚性物体相互连接所组成） 运动规律的科学。运动规律的科学。 2020世纪世纪6060年代，古典的刚体力学、分析年代，古典的刚体力学、分析 力学与计算机相结合的力学分支力学与计算机相结合的力学分支多体系多体系 统动力学在社会生产实际需要的推动下产生统动力学在社会生产实际需要的推动下产生 了。了。 多刚体系统动力学 其主要任务是：其主要任务是： 1. 1. 建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模 型，开发实现这个数学模型的软件系统，用户只需输入描型，开发实现这个数学模型的软件系统，用户只需输入描 述系统的最基本数据，借助计算机就能自动进行程式化的述系统的最基本数据，借助计算机就能自动进行程式化的 处理；处理； 2. 2. 开发和实现有效的处理数学模型的计算机方法与数开发和实现有效的处理数学模型的计算机方法与数 值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应；值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应； 3. 3. 实现有效的数据后处理，采用动画显示，图表或其实现有效的数据后处理，采用动画显示，图表或其 他方式提供数据处理结果。他方式提供数据处理结果。 目前多体动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主目前多体动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主 要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学的方 法、以牛顿法、以牛顿- -欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯 恩方法和变分方法等。恩方法和变分方法等。 多刚体系统动力学 多刚体的定点转动描述：方向余弦、欧拉角及卡尔登角多刚体的定点转动描述：方向余弦、欧拉角及卡尔登角 多刚体系统动力学 欧拉参数形式的动力学方程 多刚体系统动力学 罗伯逊维登伯格方法 凯恩方法 高斯最小拘束原理方法 多柔体动力学 柔性多体系统动力学控制方程的基本原理和方法: 牛顿-欧拉向量力学法 拉格朗日为代表的分析力学法 (哈密顿原理、虚位移原理、虚速度原理等) 基于高斯原理等具有极小值性质的极值原理 其他方法 多柔体动力学 柔性多体系统动力学的描述方式： 绝对描述：在指定惯性参考系后，系统中的物体 在每一时刻的位形都在此惯性参考系 中确定。 相对描述：对于每个物体都按某种方式选定一个 动参考系，物体的位形是相对于自己 的动参考系确定。 多柔体动力学 我们一般采用相对描述的方法： 相对描述的方法特别适合于由小变 形物体组成的系统。此时，可以适当 的选取动参考系，使得物体相对于动 参考系的运动（变形）总是小。这样 ，对于变形可按通常的线性方法来处 理，如模态的展开。 多体系统动力学分析方法 从20世纪80年代末期开始，随着计算机技术的 蓬勃发展和CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设 计）、MSD (Multi-body System Dynamics，多体系统动力 学)、VP(Virtual Prototyping，虚拟样机)等技术的兴起 ，给发动机动力学分析，提供了崭新的手段和得力的工具 。基于CAD、MS技术发展起来的虚拟样机（VP）技术，为发 动机动力学分析开创了新的纪元，目前在市场上可供选择 的基于虚拟样机技术的商品化软件产品就有二十多种，其 中应用最为广泛的产品美国MSC公司的ADAMS、比利时LMS公 司的DADS、德国航天局的SIMPACK、韩国的Recurdyn等。 多体系统动力学虚拟样机分析方法 利用基于虚拟样机技术的分析方法，首先要利用CAD技 术建立发动机各运动机构零部件的三维实体模型，然后利 用多体系统动力学技术，搭建起整机运动机构的虚拟样机 模型。其最大优势在于： 1）采用CAD三维实体模型用于仿真分析，避免了传统 算法对实际结构的简化处理而引起的简化误差； 2）通过柔性化处理的主要承、传力零部件，可真实反 映实际结构的弹性特质，以计及构件的弹性变形对激励载 荷的影响； 3）基于多体系统的一体化仿真，可以充分计及各载荷 之间的相互影响及共同作用效果。 多体系统动力学虚拟样机分析方法 多体系统动力学虚拟样机分析方法 多体系统动统动 力学虚拟样拟样 机分析流程 车用发动机中存在的动力学问题 曲柄连杆机构的动力学分析 连杆和活塞运动规律，往复惯性力，活塞侧推力 ，连杆推力，曲柄销载荷，倾覆力矩，输出力矩 等等 配气机构的动力学分析 进排气门运动规律，气门与摇臂接触力，气门与 气门座圈接触力以及凸轮型线的评价等等 某型内燃机曲柄连连杆机构实实体模 型 多体系统动力学虚拟样机分析方法 某型内燃机多体系统动力学VP模型 多体系统动力学虚拟样机分析方法 多体系统动力学虚拟样机分析方法 某 型 内 燃 机 单 缸 配 气 机 构 模 型 某 型 内 燃 机 配 气 机 构 模 型 多体系统动力学虚拟样机分析方法 某 型 内 燃 机 配 气 机 构 模 型 多体系统动力学虚拟样机分析方法 多体系统动力学虚拟样机分析方法 某型内燃机多体 系统动力学VP 模型 直列四缸柴油机整机动力学模型 曲柄连杆机构的动力学分析 连杆摆角、连杆摆角角速度、连 杆摆角角加速度，活塞位移、活塞速 度、活塞加速度，爆发压力，往复惯 性力，活塞侧推力，连杆推力，曲柄 销载荷，主轴颈载荷，倾覆力矩，输 出力矩，曲轴的振动等 传统方法的分析过程 曲柄连杆机构的运动学分析 运动件的运动质量换算 机构的力源及受力分析 曲柄连杆机构 运动学分析 运动质量的换算 激励力的分析 基于虚拟样机技术的现代方法 装配 柔性体的引入 替换 激励力与约束的施加 机构的激励力： 爆发压力 约束的施加： 平移副及旋转副