多体动力学在车用发动机上的应用

1、多体动力学在车用发动机上的应用第1页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二多体系统动力学在车用发动机上的应用张保成第2页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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第3页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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，

2、无不是动力学涵盖的范围。第4页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二动力学的发展历史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。第5页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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

3、theorem )第6页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二经典动力学 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 第7页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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 第8页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二经典动力学哈密顿正则方程第9页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二多刚体系统动力学 多体系统动力学：包括多刚体系统动力学和多柔体系统

4、动力学。 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）运动规律的科学。 20世纪60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多体系统动力学在社会生产实际需要的推动下产生了。第10页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二多刚体系统动力学其主要任务是： 1. 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； 2. 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； 3. 实现有效的数据后处理，采用动画

5、显示，图表或其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-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。 第11页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二多刚体系统动力学多刚体的定点转动描述：方向余弦、欧拉角及卡尔登角第12页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二多刚体系统动力学 欧拉参数形式的动力学方程第13页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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第14页，共43页，2022

6、年，5月20日，13点30分，星期二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第15页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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。第16页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二多柔体动力学我们一般采用

7、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。第17页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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

8、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第18页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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，

9、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第19页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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流程第20页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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

10、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第21页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二某型内燃机曲柄连杆机构实体模型多体系统动力学虚拟样机分析方法第22页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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第23页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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第24页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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第25页，共43

11、页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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第26页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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模型第27页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二直列四缸柴油机整机动力学模型第28页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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，曲轴的振动等第29页，共43

12、页，2022年，5月20日，13点30分，星期二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第30页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二曲柄连杆机构第31页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二运动学分析第32页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二运动质量的换算第33页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二激励力的分析第34页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二基于虚拟样机技术的现代方法装配第35页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二柔性体的引入替换第36页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二激励力与约束的施加机构的激励力： 爆发压力约束的施加： 平移副及旋转副外载荷： 曲轴的匀速转动第37页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二计算结果1第一缸的爆发压力第38页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二计算结果2第一缸的活塞侧推力第39页，共43页，2022年，5月20日，13点30分，星期二计算结果3第一缸的曲柄销径向力和切向力第40页，共43页，2022年，5月