（动力机械及工程专业论文）2vo48dnw2特种发动机动力学仿真.pdf

r 学位论文版权使用授权书 1 1 1111 111 1 111 1 1 11 1iii y 18 9 5 4 6 5 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：乡抄：糌 扣1 1 年6 月b 日 指导教师签名獬 ( “v6 2 1 。年石月易日 1一 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学仿真 d y n a m i ca n a l y s i so f2 v 0 4 8 d n w 2s p e c i a le n g i n e 2 0 1 1 年6 月 l-一 江苏大学硕士学位论文 摘要 曲柄连杆机构发动机诞生已经有1 0 0 多年的历史了，经过1 0 0 多 年的发展其日益完善和成熟，已经成为当今主要的动力装置之一而被 广泛地应用于工业、农业及交通运输等领域。虽然曲柄连杆机构发动 机占据着主导地位，但是一直以来人们并没有停止对其它形式发动机 的探索。经过长期的摸索和试验一种新的特种发动机诞生了，它就是 直蚌线发动机。直蚌线发动机继承了曲柄连杆发动机和转子发动机的 特点，具有结构紧凑，重量小，运行平稳等优点。 本文以2 v 0 4 8 d n w 2 直蚌线发动机为研究对象，详细介绍了直蚌 线发动机的结构及各组成零部件，增加对其直观的认识，并讨论了直 蚌线发动机的工作原理，指出其工作过程中存在的问题。 对直蚌线发动机进行了运动学和动力学分析，通过运动学分析得 出其位移、速度、加速度运动规律，然后在a d a m s 软件中进行仿真， 进一步验证理论推导结果。再将理论推导的直蚌线发动机运动规律与 常规的曲柄连杆发动机运动规律进行对比，得出两者的差异。在动力 学分析中，重点考察了活塞侧压力与曲轴转角的关系，通过分析发现 直蚌线发动机存在侧压力无穷大的情况。 针对直蚌线发动机机械效率低的情况，对活塞组进行有限元结构 强度和变形分析，提出相应的改进方案，并用同轴度和圆柱度来评价 各种方案变形情况。通过对各方案的模拟分析，妥善地解决了活塞组 变形过大导致机械效率降低的问题。 对直蚌线发动机的关键零部件曲轴组进行了有限元强度分 析，为了提高分析精度采用六面体网格。对两缸不同工况分别进行了 计算，最后得出结论，不同工况下对曲轴组的应力是有一定影响的， 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学仿真 但是整个曲轴组的强度还是满足要求的。 关键词：直蚌线发动机，动力学，a d a m s ，变形分析，有限元，强度 分析 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c r a n k c o n n e c t i n gr o de n g i n e sh a v eb e e ni n v e n t e df o rm o r et h a n10 0 y e a r s ，a n dh a v eb e e nm o r ep e r f e c ta n de x p e r i e n c e db ym o r et h a n10 0y e a r s d e v e l o p m e n t n o w a d a y sc r a n k - c o n n e c t i n gr o de n g i n e sh a v eb e e no n eo f t h em a i np o w e re q u i p m e n t sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r y , a g r i c u l t u r e a n dt r a f f i ct r a n s p o r t a t i o n t h o u g hc r a n k - c o n n e c t i n gr o de n g i n e sh o l dt h e l e a d i n gp o s i t i o n ，p e o p l eh a v e n tb e e ns t o p p i n gr e s e a r c h i n go t h e rs t y l e e n g i n e s b yal o n gt i m er e s e a r c ha n de x p e r i m e n t ，an e ws p e c i a le n g i n ew a s i n v e n t e dw h i c hi sc a l l e d s t r a i g h tc l a mc u r v ee n g i n e i t i n h e r i t st h e c h a r a c t e r i s t i co fb o t hc r a n k c o n n e c t i n gr o de n g i n e sa n dr o t o re n g i n e s i t s a d v a n t a g e i sc o m p a c t ，l i g h ta n d s t e a d y t h i sp a p e r sr e s e a r c ho b j e c ti s2 v 0 4 8 d n w 2s t r a i g h tc l a mc u r v e e n g i n e ，a n dp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h es t r a i g h tc l a mc u r v ee n g i n es t r u c t u r e a n dp a r t st oe n h a n c et h eu n d e r s t a n d i n g t h e ni n t r o d u c et h ew o r kp r i n c i p l e a n dp o i n to u tt h a tt h e r ea r ef o u r d e a dp o i n t s ”i nw o r k p r o c e s s d ot h e d y n a m i ca n a l y s i s o fs t r a i g h tc l a mc u r v ee n g i n e g e tt h e m o v e m e n tl a wf r o mt h ek i n e m a t i c sa n a l y s i s ，a n dt h e nd oa n a l y s i si n a d a m ss o f t w a r et og e tt h em o v e m e n tc u r v ew h i c hi su s e dt ov a l i d a t et h e t h e o r e t i c a lm o v e m e n tl a w t h e nc o m p a r et h es t r a i g h tc l a mc u r v ee n g i n e m o v e m e n tl a ww i t hc r a n k c o n n e c t i n gr o de n g i n e ，g e t t i n gt h ed i f f e r e n c eo f s t r a i g h tc l a mc u r v ee n g i n e m a i n l ya n a l y z et h er e l a t i o nb e t w e e np i s t o ns i d e f o r c ea n dc r a n k s h a f ta n g l ei nd y n a m i ca n a l y s i s ，a n df i n dt h es i d ef o r c ei s i n f m i t ei ns o m e p o s i t i o n a c c o r d i n g t ot h ec o n d i t i o no f s t r a i g h t c l a mc u r v e e n g i n e l o w m e c h a n i c a le f f i c i e n c y , d od e f o r m a t i o na n a l y s i st op i s t o na s s e m b l ya n dg i v e r e l e v a n ti m p r o v e m e n ts c h e m e sj u d g i n gb ya x i a l i t ya n dc y l i n d r i c i t y i nc a s e t h ei m p r o v e dp i s t o na s s e m b l yi n t e n s i t yd e c r e a s e s ，a n a l y z et h ei n t e n s i t yo f m 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学仿真 d i f f e r e n ti m p r o v e m e n ts c h e m e s b ya n a l y s i so fd i f f e r e n ti m p r o v e m e n t s c h e m e s ，a p p r o p r i a t e l yr e s o l v et h ep r o b l e m o fl a r g ed e f o r m a t i o nl e a d i n gt o l o wm e c h a n i c a le f f i c i e n c y d of e m i n t e n s i t ya n a l y s i st os t r a i g h tc l a mc u r v ee n g i n e sk e yp 扩 - - c r a n k s h a f ta s s e m b l y i no r d e rt oe n h a n c et h ep r e c i s i o n ，u s eh e x a h e d r o n e l e m e n t a n a l y z et h ed i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n so ft w oc y l i n d e r s ，t h e ne l i c i t t h er e s u l tt h a tt h ed i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n se f f e c tt h es t r e s sc o n d i t i o no f c r a n k s h a f ta s s e m b l y , w h i l et h ew h o l ec r a n k s h a f ta s s e m b l yi n t e n s i t yc a l l m e e tt h er e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：s t r a i g h tc l a mc u r v e e n g i n e ，d y n a m i c ，a d a m s ， d e f o r m a t i o na n a l y s i s ，f e m ，i n t e n s i t ya n a l y s i s i v 【一 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 第3 章 3 1 3 2 3 3 第4 章 4 1 4 2 4 3 第5 章 目录 l 特种发动机概述及研究现状1 本论文的研究背景及意义4 本论文中用到的相关技术4 1 3 1 有限元技术。4 1 3 2 虚拟样机技术6 本文的主要内容。7 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机的工作原理一。9 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机的结构一9 2 1 1 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机的基本技术参数9 2 1 22 v 0 4 8 d n w 2 发动机的结构特点。1 0 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机的工作原理1 3 d 、结1 5 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学分析一1 6 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机运动学分析1 6 3 1 12 v 0 4 8 d n w 2 发动机运动规律推导。1 6 3 1 22 v i m 8 d n w 2 发动机运动规律仿真1 7 3 1 32 v 0 4 8 d n w 2 发动机运动规律与常规发动机比较1 9 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机动力学分析2 0 3 2 12 v 0 4 8 d n w 2 发动机动力学分析。2 0 3 2 22 v 0 4 8 d n w 2 发动机活塞侧压力分析2 0 爿、结2 l 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机活塞组变形分析2 2 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机台架试验结果2 2 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机活塞组变形分析2 3 4 2 1 评价指标2 4 4 2 2 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机变形计算方案说明2 5 4 2 32 v 0 4 8 d n w 2 发动机变形计算结果3 0 4 2 42 v 0 4 8 d n w 发动机各方案计算结果比较4 7 本章小结4 8 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机曲轴强度分析。4 9 v 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学仿真 5 3 第6 章 6 1 6 2 参考文献 致谢 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机曲轴计算说明5 0 5 1 1 有限元模型的说明5 0 5 1 2 位移边界条件的说明5 0 5 1 3 载荷边界条件的说明5 1 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机曲轴计算结果分析5 2 5 2 1 第一缸爆发的结果分析5 2 5 2 2 第二缸爆发的结果分析5 5 d 、结5 9 全文总结及工作展望 全文总结6 0 工作展望6 1 硕士期间发表的论文 v i 6 2 6 4 6 5 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 特种发动机概述及研究现状 内燃机是发动机的一大类。内燃机的出现和发明可以追溯到1 8 6 0 年，莱诺伊 尔( j j e l e n o i r ) 首先发明的一种大气压力式内燃机，这种发动机在燃烧前没有压 缩行程，热效率低于5 ，最大功率为4 5 k w 。1 8 6 7 年奥托( n i c o l a u sa o t t o ) 和 浪琴( e u g e nl a n g e n ) 发明了一种更为成功的大气压力式内燃机，其效率可达1 1 。 后来奥托又提出四冲程循环理论，并在1 8 7 6 年将四冲程原型机投入运行，这种新 型发动机的热效率提高1 4 ，而质量减小7 0 。1 8 9 0 年，英国的克拉克和罗伯特、 德国的卡尔奔驰成功地发明了二冲程内燃机。1 8 9 2 年德国工程师鲁道夫狄塞 尔( r u d o l fd i e s e l ) 提出了压燃式发动机的专利，并在5 年之后的1 8 9 7 年生产出 实际的机器，即柴油机【l 】。从内燃机的发展历程来看先有汽油机后有柴油机。 特种发动机是在发动机发明和发展过程中，在一定的历史阶段，对当时流行 结构以外的发动机的统称。例如，在蒸汽机极盛的时代，往复活塞式内燃机可算 是一种特种发动机，可是在活塞式内燃机极盛的今天，它就变成了“常规发动机 ， 而其他形式的发动机( 包括结构新颖的蒸汽机在内) 则成为“特种发动机了。 由此可见，“特种发动机”的概念具有时代性、相对性和动态性【2 】。 特种发动机的分类有很多种方法。根据动力传输系统的不同，可分为：通过 非刚性传输的特种发动机，活塞非直线运动的特种发动机，空间传输机构的特种 发动机，无连杆发动机等。根据材料的不同，可分为：陶瓷发动机，形状记忆合 金热机，塑料发动机等。根据燃料的不同，可分为：醇类燃料发动机，天然气燃 料发动机，氢发动机等。根据某些机构的不同，可分为：可变配气正时和可变气 门升程的v t e c 机构，可变涡流比机构，可变喷油速率和正时的电控机构，可变 涡轮喷嘴环截面机构，可变进气控制机构，自控保温热面点火机构，椭圆形气缸 和活塞机构，旋转式气门机构等。另外还出现了一些新概念发动机，像移动燃烧 室式发动机，太阳能电池和汽油机混合驱动发动机，车用电池和电动机混合驱动 发动机等，这些新概念发动机在当下看来也属于特种发动机范畴。特种发动机的 概念本来就有时代性、相对性和动态性，以上所列发动机在当前看来是特种发动 机，但是随着研究的深入和未来对新型动力装置的需求，以上某种特种发动机将 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学仿真 来也有可能成为常规发动机。 在特种动力传输系统的发动机中，液压自由活塞发动机、三角转子发动机、 摆盘式发动机及无连杆发动机可谓是具有代表性的特种发动机。液压自由活塞发 动机( h y d r a u l i cf r e ep i s t o ne n g i n e ，以下简称h f p e ) 最初是由f r e d e r i c kh o b b s 于 2 0 世纪5 0 年代提出的。1 9 6 1 年e i c k m a r m 在其申请的专利中提出了h f p e 的三种 结构形式单活塞、对置活塞和双活塞。美国的卡特彼勒( c a t e r p i l l a r ) 工程公 司、德国德累斯顿工大( d r e s d e n t u ) 、日本丰桥工大( t o y o h a s h i t o ) 和荷兰i n n a s b v 公司都开展过单活塞式h f p e 的研究。而荷兰的i n n a sb v 公司研究时间最长也 最成功。早在1 9 8 7 年，他们就试制处单活塞式h f p e 样机并进行了测试工作，目 前已有单活塞式h f p e 样机装于叉车上进行研究，其最新试制的模型样机为第五 代样机c e n t a u r t 3 1 。在转子发动机方面，日本马自达公司是目前唯一将转子发动机 量产的汽车生产商；1 9 6 2 年至今，美国开展了多种燃料转子发动机的研制工作， 并主要用于军事目的【4 】；德国的转子发动机主要用于工业，如发电，消防泵和 小型移动动力装置，并且已经具备了军事和航空领域的使用可靠性和多种燃料功 能【4 】。我国在1 9 6 0 年前后即开始研制转子发动机，在1 9 8 1 1 9 8 2 年，先后有三种 型号的转子机通过了科研成果鉴定：第一种是g z _ o o 型汽油水冷分层燃烧转子 发动机，它采用了氮化硅的径向密封片并与合金铸铁缸体配对，获得了优良的耐 磨性能并解决了气缸型面的振纹现象；同时采用了某些措施实现分层燃烧，有较 好的燃料经济性；第二种是j z 2 1 1 b 型汽油水冷转子机，采用前置隔热燃烧室、主 副进气道、不等壁厚缸体等技术，其动力性、经济性及可靠性均良好；第三种是 g l 211 0 型5 9 k w 汽油转子发动机，各项指标也达到了较好水平。早在十九世纪3 0 年代，前苏联就对无连杆内燃机有比较全面的论述。在5 0 年代，我国的一些高等 院校及工厂，相继对无连杆压缩机或汽油机进行了研究和试制，取得了一些成功。 在特种材料发动机中，陶瓷发动机曾经风靡一时，从上个世纪7 0 年代开始全 世界范围内掀起了一股陶瓷发动机的研究浪潮。1 9 7 5 年美国c u m m i n s 公司研制成 世界上第一台无冷却的陶瓷柴油发动机_ c 2 5 0 。之后福特公司、d d a 公司 都进行过相关方面的研究。1 9 7 6 年日本小松研制了块体陶瓷件的涡轮复合绝热机 及全喷涂的涡轮复合绝热机；五十铃公司在上世纪8 0 年代初成功地研制了陶瓷电 热塞、陶瓷涡流室镶块；其余的日本汽车企业都从事些代用性质的陶瓷零件开发。 2 江苏大学硕士学位论文 英国早在上个世纪7 0 年代初期就曾用氮化硅做直径8 0 m m 的柴油机活塞，8 0 年代 转向陶瓷耐磨件和低惯量件的试验，1 9 8 9 年底英国完成了一项名为c a r e 的陶瓷 用于往复式内燃机的研究计划。我国在上世纪7 0 年代初期也开始了对陶瓷发动机 的研究工作。在“七五 期间研制出了一批结构陶瓷的零部件，研制了6 1 0 5 、6 1 3 5 、 f 1 6 5 无水冷发动机，逐步解决了陶瓷部件的可靠性、发动机充气效率下降等问题， 取得了一定的突破。 随着工业的发展和汽车保有量的增加，人类对能源的需求越来越大，特别是 对石油的需求越来越大，据美国石油协会估计，地球上尚未开采的原油储量已不 足两万亿桶，可供人类开采不超过9 5 年的时间。另外随着“温室效应”被提上议 事日程，全球关注c 0 2 排放的呼声也越来越高。在这种情况下，世界各国纷纷开 始从事非常规燃料发动机的研究，主要集中在以甲醇为代表的醇类燃料、天然气、 氢气等。在醇类燃料发动机中，德国m a n 公司开发出m 2 5 6 6 u h 型甲醇发动机， 日本小松公司研制出6 a 1 0 5 型和4 a 9 5 l 型甲醇发动机。我国的大连理工大学魏象 仪等对压燃甲醇的自然过程及其火焰温度用光测分析做了研究。在天然气使用方 面，国外已经相当普及，我国也正在大力普及。氢发动机的研制多集中在欧美和 日本。美国迈阿密大学研制的氢发动机解决了回火的难题；俄克拉荷马大学研制 的氢发动机是将氢气直接喷到气缸内；康奈尔大学研制的氢发动机采用了高压氢 气喷射装置，但结果不够理想。德国亚琛工业大学开发的氢发动机采用在进气门 背后安装一个喷冷空气的喷气管的方法来防止回火，但是效果还有待进一步检验； 德国奔驰公司为了提高氢发动机的充气效率，利用液氢的低温对进气空气进行中 冷，同时液氢受热气化，这样既提高了空气充量又达到了稀薄燃烧的目的。 在发动机非常规机构中，着重讨论可变气门正时和可变气门升程的v t e c 结 构、可变废气再循环( e g r ) 结构。v t e c 是由日本本田汽车公司开发，是为了解 决常规发动机在低速和高速工况下性能较差的问题而研制，目前该技术已经趋于 成熟并且普遍应用于一些中高档轿车上。废气再循环( e g r ) 系统是目前降低n o ； 的有效措施之一，首先被应用于汽油机，然后推广到柴油机上，上个世纪9 0 年代开 始用于涡轮增压柴油机【5 j 。为了更好地控制n o x ，冷却e g r 系统被广泛采用，它 是将废气通过冷却后再进入燃烧室，使废气温度从6 6 0 降到1 9 0 ，目前除了卡 特彼勒，其他发动机制造商都宣布将使用更“高循环比例的冷却e g r 系统，以 3 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学仿真 满足未来n o x 排放的要求嘲。 1 2 本论文的研究背景及意义 常规曲柄连杆机构是将活塞的往复直线运动转换成曲轴的旋转运动，这种结 构在动力机械中应用十分广泛。在内燃机领域，小至数十瓦的航模内燃机，大至 功率为几万千瓦的船用柴油机，绝大多数都采用曲柄连杆机构作为动力传输机构。 在某些热汽机、蒸汽机上也采用了这种机构。曲柄连杆机构虽然具有很多优点并 得到广泛应用，但同时也应该看到，在动力传输机构中曲柄连杆机构并非唯一的 和不可取代的。在某些特殊场合和条件下，它的应用也存在局限性。例如对活塞 做旋转运动的发动机、要求结构更紧凑的鱼雷动力装置、两活塞重叠的配气活塞 式热气机，这种常规的动力传输机构就难以应用或者不是最有利的，而应该采用 最合理的动力传输机构 2 1 。基于此背景，本文通过对一种新型动力传输机构的研究， 将其与传统的曲柄连杆机构进行比较，以发现其与曲柄连杆机构的不同点，期望 在某些应用领域能够替代现有的曲柄连杆机构，另外也为其它特种发动机的研发 提供一种思路。 1 3 本论文中用到的相关技术 1 3 1 有限元技术 有限单元法( 或称有限元法) 是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值计 算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视【7 】。 有限单元法的思想早在2 0 世纪4 0 年代初期就有人提出了。1 9 4 1 年赫兰尼可 夫( a h r e n i k o f f ) 首先提出用隔栅的集合体表示二维与三维的结构体，这是离散化 的最早思想。1 9 5 5 年特纳( m j t u r n e r ) 、克拉夫( r w c l o u g h ) 、马丁( h c m a r t i n ) 和托普( l c t o p p ) 等在他们的著作中，提出了计算复杂结构刚度影响系数的方法， 并应用电子计算机进行计算分析。1 9 6 0 年克拉夫第一次提出“有限单元法 这一 名称。 经过近7 0 年的发展，有限元技术已经取得了长足的进步。从单元类型而言， 已从一维的杆单元、二维的面单元发展到三维的空间单元、板壳单元、管单元等； 从常应变单元发展到高次单元；等参单元的出现使计算精度有了较大的提高，并 4 江苏大学硕士学位论文 可适用各种复杂的几何形状和边界条件。从理论基础而言，虽然有限元法起源于 结构分析理论，但是经过多年的改进和推广，有限元法不仅在结构理论本身范围 内由静力分析发展到动力问题、稳定问题和波动问题，由线性发展到非线弹性和 塑性，而且有限元法还在连续体力学的一些场问题中得到应用，例如：热传导， 流体力学、电磁场等领域中的问题【引。在计算机程序的编制方面也有了非常大的发 展。由于有限元法的通用性，它已经成为解决各种问题的强有力和灵活通用的工 具。因此一批专业软件公司研制出大规模通用商业软件，如：a n s y s 、a b a q u s 、 n a s t r a n 、m a r c 、s a p 、a s k a 、a d i n a 、c o s m o s 等。 有限元法的基本思想可以归结如下： 首先，将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子区域( 单元) ，并通 过它们边界上的节点相互联结成为组合体。 其次，用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求的未知 场变量。每个单元内的近似函数由未知场函数在单元各个节点上的数值和与其对 应的插值函数来表示。由于在联结相邻单元的节点上，场函数应具有相同的数值， 因而将它们用作数值求解的基本未知量，从而将求解原来待求场函数的无穷多自 由度问题转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。 最后，通过和原问题数学模型( 基本方程、边界条件) 等效的变分原理或加 权余量法，建立求解基本未知量( 场函数的节点值) 的代数方程组或常微分方程 组。然后用数值方法求解此方程，从而得到问题的解答【8 】。 有限元法的基础理论和方法已经比较成熟，已成为当今工程技术领域中应用 最为广泛，成效最为显著的数值分析方法。但是面对2 l 世纪全球在经济和科技领 域的激烈竞争，基础产业的产品设计和制造需要引入重大的科技创新，高新技术 产业更需要发展新的设计理论和制造方法。而这一切都为以有限元法为代表的计 算力学提供了广阔驰骋的天地，并提出了一系列新的课题。 ( 1 ) 为了真实地模拟新材料和新结构的行为，需要发展新的材料本构模型和 单元型式。 ( 2 ) 为了分析和模拟各种类型和形式的结构在复杂载荷工况和环境作用下的 全寿命过程的响应，需要发展新的数值分析方案。 ( 3 ) 有限元软件和c a d c a m c a e 等软件系统共同集成完整的虚拟产品发 5 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学仿真 展( ) d ) 系统 7 1 。 1 3 2 虚拟样机技术 随着新技术不断涌现，建模与仿真技术自身不断发展，新的建模与仿真方法 不断提出，计算机系统仿真已跻身于高新技术领域，与人工智能技术、优化理论、 三维图像处理技术以及多媒体技术等融合，并逐步步入虚拟样机仿真。 虚拟样机技术( v - m u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 涉及多体系统动力学、计算方法 与软件工程等学科，是当前设计制造领域的一项新技术。它采用“虚拟样机一仿 真实验 的数字化开发方法，其产品的开发流程如图1 1 所示。虚拟样机技术在概 念设计阶段就能对整个系统进行完整的分析，观察并试验各组成部件的相互运动 情况，在物理样机制造之前通过反复修改系统动力学模型，仿真试验不同的设计 方案，进行预测、比较直到获得最优的设计方案。这样形成一套全新的开发模式， 革新产品开发过程，缩短周期降低成本，改进产品设计质量，提高产品开发效率。 虚拟样机技术不但改变了传统设计思想，而且对制造业产生了深远的影响。因此， 虚拟样机技术将是未来机械制造的一个重要发展方向。 图1 1 基于虚拟样机技术的产品开发流程 f i g1 1p r o d u c td e v e l o p m e n tf l o wb a s e do nv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y 虚拟样机技术在工程上的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品 化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件商品化的过程已经完成。目前比 较有影响的产品有美国m s c 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 的a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，比利时l m s 公司的d a d s 以及德国航天局的s i m p a c k 。其中m s c 公司的a d a m s 占据了市场的5 0 以上。 虚拟样机技术已经广泛地应用于汽车制造业、工程机械、医疗器械、航天航 空业、国防工业以及机械制造业等领域。在各个领域里，虚拟样机技术都为客户 节省了开支和时间，并提供了满意的设计方案。波音飞机公司的波音7 7 7 飞机设 计就是采用虚拟样机技术的典型实例，其整机设计、部件测试、整机装配以及各 种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8 年缩短到5 年。 6 江苏大学硕士学位论文 福特汽车公司在一款新车型的开发中也采用了这项新技术，其设计周期缩短了7 0 天。全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了4 0 0 0 万美元，制造费 用节省了1 0 亿美元。由于设计制造周期的缩短，新车上市早，额外赢利达到其成 本的数倍。因此，虚拟样机技术不但降低了产品的设计成本，缩短了开发周期， 而且还制造出性能更为优异的产品 9 1 。 目前我国在虚拟样机技术方面也取得了可喜的成果，由我国自主开发的v p m 虚拟样机支撑环境平台以及相关软件已经成功研制。虚拟样机技术成功地解决了 嘉陵1 5 0 摩托车振动问题，取得了较好的减震效果。另外，虚拟样机技术近年来 在我国的汽车制造业、机器人研究、载人航天工程、兵器工业以及飞机制造业中 都有着广泛的应用。在制造领域虚拟样机技术在下面几个方面的作用已显得尤为 明显： ( 1 ) 产品的外形设计。以前，汽车外形造型设计多采用泡沫塑料制作外形模 型，要通过多次修改，既费工又费时。采用虚拟样机的外形设计，可随时修改、 评测，确定后方案的建模数据可直接用于设计和加工，并可用于广告和宣传。 ( 2 ) 产品装配仿真。机械产品的配合性和可装配性是设计人员容易出现错误 的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，从而导致零件的报废和工期的延误， 造成巨大的经济损失。采用虚拟样机技术可以在设计阶段就进行验证，确保设计 的正确性，避免损失。 ( 3 ) 产品的运动和动力学仿真。运用虚拟样机技术在产品设计阶段就能展示 出产品的行为，动态地表现产品的性能，并能解决运动构件工作时运动协调关系、 运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等问题。 ( 4 ) 虚拟样机与产品工作性能测评。首先进行产品的三维建模，然后将模型 置于虚拟环境中控制、仿真和分析，可以在设计阶段就对设计的方案、结构等进 行评测，解决大多数问题，提高试制的成功率。采用虚拟样机技术，还可以方便、 直观地进行工作性能检查。 1 4 本文的主要内容 直蚌线发动机是我国黎正中教授设计并申请专利的。本文对直蚌线发动机的 运动机理及关键零部件进行了深入的研究分析。并对针对直蚌线发动机机械效率 7 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学仿真 低的情况进行了活塞组变形分析。最后对关键部件进行了有限元强度分析。 本文的主要内容有： ( 1 ) 介绍2 v 0 4 8 d n w 2 直蚌线发动机的结构组成及工作原理，指出其在工作 过程中与常规发动机不同的地方，存在四个“死点 。 ( 2 ) 对2 v 0 4 8 d n w 2 直蚌线发动机进行运动学分析，推导出其运动规律，然 后在a d a m s 软件中进行仿真与推导结果进行对比验证。再将直蚌线发动机的运 动规律与常规发动机的运动规律进行对比。进行动力学分析，分析活塞侧压力情 况。 ( 3 ) 2 v 0 4 8 d n w 2 直蚌线发动机样机在试验过程中机械效率较常规发动机的 低，针对这一情况，对其活塞组进行变形分析并提出改进方案，为了保证改进方 案在满足变形要求的同时又满足强度要求，对各方案同时进行了强度分析。 ( 4 ) 2 v 0 4 8 d n w 2 直蚌线发动机的曲轴组是整个机构的重要组成部件之一， 同时也是实现能量转换对外输出扭矩做功的重要部件，由于其是组合式结构，因 此在工作过程中曲轴组整体强度是否满足要求是需要得到验证的。本文最后基于 有限元法对曲轴组的强度进行了分析。 8 江苏大学硕士学位论文 第2 章2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机的工作原理 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机是一款以直蚌线发动机专利技术为基础，借鉴其它一 些成熟机型开发出来的v 9 0 。两缸四冲程自然吸气柴油机。由于采用直蚌线专利 技术，用圆滑块取代了连杆机构，因此体积较小，发动机内部结构紧凑，其工作 原理也较常规曲柄连杆机构复杂。 2 12 v 0 4 8 d n w 2 发动机的结构 1 ) 墨体视图2 ) 梗剖视圈 1 ) t h ew h o l ev i e w2 ) t h ec r o s s - s e c t i o n a lv i e w 图2 12 v 0 4 8 d n w 2 发动机结构图 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo f2 v 0 4 8 d n w 2 e n g i n e 1 气缸盖罩2 一喷油器3 气缸盖4 - 电控系统5 机油滤清器6 _ 油底壳7 排气管 8 发电机9 水泵1 0 - 凸轮轴1 1 配重轮1 2 一喷油泵1 3 进气管1 4 _ 飞轮1 5 曲轴1 6 机体 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机的结构如图2 1 所示。单纯从外观结构上看与常规发 动机没有太大的区别，但是从横剖视图可以明显看出该两缸发动机的曲轴与常规 两缸曲柄连杆机构发动机的曲轴不同，这就是该发动机的特别之处。 2 1 1 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机的基本技术参数 2 v 0 4 8 d n w 2 发动机的基本技术参数见表2 1 。 9 气缸数 排量( l ) 压缩比 最高爆发压力( m p a ) 缸径行程( 衄) 进气方式 燃烧室型式 标定转速( r m i u ) 标定功率( k w ) 冲程 单缸气门数 外形尺寸( 衄) 重量( k g ) 2 1 22 v 0 4 8 d n w 2 发动机的结构特点 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机由1 6 个组别的零部件组成，如机体组件、曲轴组件、 活塞组件等。其主要机构和零部件的结构特点如下。 ( 1 ) 整机布置 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机的机构如图2 1 所示。该机两缸成9 0 。夹角布置，错 缸距3 0 m r a 。凸轮轴在曲轴上方，由正时齿轮驱动。气门由凸轮、挺柱、推杆、摇 臂驱动。由于水泵在机体前端由齿轮驱动。考虑到消音器和空气滤清器的布置， 进气口布置在机体后端，排气口布置在机体前端。机油泵位于前端由齿轮驱动。 发电机位于机体前端曲轴上方，由曲轴经皮带轮驱动。起动机后置并固定在飞轮 壳上。 ( 2 ) 机体 机体为整体铸件，两缸夹角9 0 。，材料为z l l 0 1 a ，重量为8 2 k g 。由于曲轴 跨度长，变形大，同时为了装配方便，机体主轴承支撑为三段式，前端采用了悬 1 0 0 5 铂 2 嘶 丝 7 一撇一 4 2一龇 。 够酬涡啪 江苏大学硕士学位论文 挂式轴承盖结构，前端轴承采用轴瓦，后端采用衬套。机体上端支撑高压泵。机 体上集合了水路、油路。机体结构见图2 2 。 图2 22 v 0 4 8 d n w 2 发动机机体结构图 f i g2 2t h ee n g i n eb l o c ks t r u c t u r eo f2 v 0 4 8 d n w 2e n g i n e ( 3 ) 气缸盖 气缸盖采用单体结构，材料为z l l 0 1 a 。为保证结构强度采用鼓形底板。燃烧 室型式为涡流室。 ( 4 ) 活塞 采用整体球铁活塞，底部喷油冷却，顶面双涡流室结构。双侧导向，活塞导 向部位全部在水套范围内，受热均匀且温度较低。为了保证润滑在活塞两侧导向 面加了润滑油槽。活塞结构见图2 3 。 图2 3 活塞结构图 图2 4 曲轴与曲柄连接方式示意图 f i g2 3t h ep i s t o ns t r u c t u r ef i g2 4t h e c r a n k s h a f ta n dc r a n kc o n n e c t i o nt y p e ( 5 ) 曲轴组 2 v 0 4 8 d n w 2 特种发动机动力学仿真 曲轴为组合式，由于受到圆滑块直径的限制，曲柄销直径较一般发动机小， 为3 6 m m 。为提高曲轴强度，主轴颈直径较大，前支撑端为8 0 m m ，后支撑端为 8 4 r a m 。曲轴与曲柄的连接方式为锥面半圆键连接，见图2 4 。由于曲柄销较细， 比压比常规发动机大，且圆滑块逆向旋转，曲柄销与圆滑块间相对远动速率较高， 因此曲轴采用强度较高的合金钢3 8 c r m o a l 。曲轴组的结构见图2 5 。 图2 5 曲轴组结构图 f i 9 2 5t h e c r a n k s h a f ts t r u c t u r e ( 6 ) 圆滑块 为双轮结构，是该款特种发动机的代表性零件之一，如图2 6 。两个偏心轮之 间由销子刚性连接分别置于两个活塞之中，它是实现活塞往复运动变为曲柄旋转 运动的关键部件。但是由于这种结构受到气缸直径的限制，因此也就限制了活塞 行程的进一步增大。 1 2 江苏大学硕士学位论文 图2 6 圆滑块结构图 f i 9 2 6t h e c i r c l es l i d e rs t r u c t u r e ( 7 ) 配气机构 配气采用两气门、推挺摇机构。错缸距为3 0 m m ，发火间隔为：右1 - 4 5 0 。 左1