船舶柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真及動(dòng)力分析

船舶柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析第一章緒論1.1課題來源及意義當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)日益繁榮，國國之間外貿(mào)聯(lián)系日益緊密，90%的進(jìn)出口是靠船舶運(yùn)輸?shù)?。柴油機(jī)有以下突出優(yōu)點(diǎn)，a.經(jīng)濟(jì)性好b.功率范圍寬廣c.尺寸小，重量輕d.機(jī)動(dòng)性好e.可靠性高，壽命長，維修方便［1］。因此船舶的動(dòng)力和電力系統(tǒng)絕大部分情況依賴柴油機(jī)，所以研究船舶柴油機(jī)有很大的必要性。在大多數(shù)情況下，大型低速長行程十字頭二沖程柴油機(jī)作為主機(jī)，帶動(dòng)軸系，最終推動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生動(dòng)力推進(jìn)船舶前進(jìn)；中速四沖程筒形柴油機(jī)作為發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電供全船照明和動(dòng)力用電。無論四沖程還是二沖程柴油機(jī)的核心都是曲柄連桿機(jī)構(gòu)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)是柴油機(jī)主要運(yùn)動(dòng)部件，能將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和受力都比較復(fù)雜，因此無論是設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，還是輪機(jī)員在日常維修保養(yǎng)中都非常關(guān)心它的性能。本文以船用柴油機(jī)曲柄連桿為例，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力分析，用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS(AutoDynamicAnalysisofMechanicalSystems)為工具，對(duì)二沖程柴油機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真及分析，使對(duì)柴油機(jī)工作原理有更為深刻的理解，方便輪機(jī)人員在日常工作中管理主機(jī)和發(fā)電柴油機(jī)。1.2國內(nèi)外研究狀況1.2.1機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法研究現(xiàn)狀當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)柴油機(jī)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析方法較多，且都比較完善和成熟。曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就是研究曲柄和連桿，連桿和活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)即位移、速度和加速度隨著時(shí)間的變化規(guī)律。動(dòng)力學(xué)則是研究受力情況。柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析包括氣體力，慣性力，軸承力，曲軸扭矩等的分析。傳統(tǒng)柴油機(jī)主要工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力分析的方法主要包括圖解法、解析法以及復(fù)數(shù)向量法⑵。圖解法形象直觀，機(jī)構(gòu)各組成部件的速度、位移、加速度、所受力的大小以及改變趨勢(shì)通過圖解形式一目了然。作為解析法的輔助手段，圖解法能用于對(duì)計(jì)算結(jié)果正確與否的判斷和解的初值選擇，其缺點(diǎn)是精度很低。不經(jīng)過任何的計(jì)算而圖解得到曲柄連桿機(jī)構(gòu)速度及加速度的方法最早由克萊茵提出，但其方法十分復(fù)雜［3］。解析法解析法是對(duì)每個(gè)構(gòu)件列出平衡方程，然后通過各個(gè)構(gòu)件間的聯(lián)系建立線性方程組而求解運(yùn)動(dòng)副約束反力及平衡力矩。解析法又包括單位向量法和直角坐標(biāo)法等。復(fù)數(shù)向量法復(fù)數(shù)向量法是以各個(gè)桿件作為向量，把復(fù)平面上的連接的過程用復(fù)數(shù)形式來表達(dá)，對(duì)于包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和時(shí)間參數(shù)的解析式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)后，即可以得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。該方法是工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析中較好方法。通過對(duì)柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析，可以很直觀了解柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而能更好地幫助我們?cè)O(shè)計(jì)和管理好運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。但是大部分復(fù)雜機(jī)械運(yùn)動(dòng)雖然給出解析式，卻難以計(jì)算出結(jié)果，只能用近似的圖解法求得數(shù)據(jù)。近些年來，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜解析式來求解，進(jìn)而推動(dòng)了力學(xué)性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的進(jìn)步。1.2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法在柴油機(jī)開發(fā)中應(yīng)用隨著市場競爭的加劇，近年來，產(chǎn)品的研發(fā)周期不斷縮短以增強(qiáng)市場競爭。而同時(shí)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低成本，需要做大量實(shí)驗(yàn)、分析和進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，因此大大增加了設(shè)計(jì)人員的工作量。解決這個(gè)問題的方法就是利用先進(jìn)的技術(shù)和工具，加強(qiáng)先期設(shè)計(jì)階段的重要性，大量應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法［4］。現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法是動(dòng)態(tài)發(fā)展的，狹義的講是為設(shè)計(jì)而建立各種數(shù)學(xué)模型及求解這些模型的技術(shù)⑸。它在柴油機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用范圍十分廣泛，主要包括優(yōu)化設(shè)計(jì)、多剛體動(dòng)力分析、有限元分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助工程熱力學(xué)分析等。優(yōu)化設(shè)計(jì)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的目的在于改善柴油機(jī)產(chǎn)品的性能，用來減輕零件質(zhì)量、降低應(yīng)力、延長壽命、提高可靠性并降低成本。通過目標(biāo)函數(shù)和約束條件對(duì)這些要求做出數(shù)學(xué)描述，并最終化成約束條件限定在可行域內(nèi)多元函數(shù)求極值的問題，以求得整體的權(quán)衡折衷⑹。通常較多采用的是有約束的非線性規(guī)劃法，國內(nèi)已多家單位對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如連桿、氣門彈簧、活塞、曲軸等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或從多方案中選優(yōu)。有限元分析有限元素法即應(yīng)用變分原理將力學(xué)、熱力學(xué)中微分方程邊值問題最終歸結(jié)于泛函求極值問題，并利用計(jì)算機(jī)求解。從70年代開始我國便在柴油機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采用有限元技術(shù)，利用Systus、ADINA等大型有限元程序系統(tǒng)來計(jì)算和分析連桿曲軸及增壓器葉輪等發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的靜動(dòng)態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度問題，其成果己在中小型發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上得到推廣應(yīng)用。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是從上世紀(jì)60年代發(fā)展起來現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要分支，它從根本上改變了機(jī)械設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)模式，引起工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的深刻變革。同時(shí)它又綜合性的應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及方法，并將其有機(jī)地集成于CAD系統(tǒng)中。1993年由上海內(nèi)燃機(jī)研究所負(fù)責(zé)、12所高校和研究所參加，成功開發(fā)中小功率內(nèi)燃機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ICECAD)。這個(gè)系統(tǒng)匯集了當(dāng)前許多內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的新成果，應(yīng)用這個(gè)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品(從零部件到整機(jī))既可進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，也可以進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，它是我國內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中第一個(gè)完整CAD系統(tǒng)。(4)多剛體動(dòng)力學(xué)模擬(MBS)多剛體動(dòng)力學(xué)模擬(MultibodiesSimulation)是近十年才發(fā)展起來的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)。MBS提供了在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析及優(yōu)化的有效手段。在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。它利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，充分利用已有的基礎(chǔ)的物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似研究方法，然后在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。日前的MBS軟件主要由Pro/Machanica、Workingmodel3D、ADAMS等組成。MBS軟件的最大優(yōu)點(diǎn)在于分析過程中無需要編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析時(shí)無需進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)及試驗(yàn)。1.3本文主要研究內(nèi)容及思路本篇文章主要運(yùn)用理論分析、計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法對(duì)船用柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真及動(dòng)力分析。主要思路如下：建立簡化的柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。如活塞的速度、位移和加速度模型，體現(xiàn)理論指導(dǎo)仿真的目的。在Pro/e環(huán)境下建立二沖程柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，并導(dǎo)入Adams/view環(huán)境中。用Adams軟件進(jìn)行運(yùn)學(xué)仿真及分析，給出主要部件在任意時(shí)刻任意位置運(yùn)動(dòng)規(guī)律(如位移，速度，加速度等)并給出動(dòng)態(tài)仿真的過程。對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出相關(guān)結(jié)論，來幫助輪機(jī)人員對(duì)柴油機(jī)曲柄連桿進(jìn)行更深入了解。第二章四沖程柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)類型［7］有很多，按運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)分為三類，即：中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)和偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)。其中中心曲柄連桿是氣缸中心線通過曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直對(duì)于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。這種形式在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用廣泛。本章將運(yùn)用力學(xué)的基本理論知識(shí)進(jìn)行單缸四沖程柴油機(jī)中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，這為后面的運(yùn)動(dòng)仿真分析的研究奠定理論基礎(chǔ)。2.1中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖2.1所示，在圖2.1中氣缸中心線通過曲軸中心。，OB是曲柄，AB是連桿，B是曲柄銷中心，A是連桿小頭孔中心或活塞銷中心。當(dāng)曲柄以等角速度s旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄OB中任意點(diǎn)都以O(shè)點(diǎn)為圓心做等角速度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞A點(diǎn)將沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而連桿AB則做復(fù)合的平面運(yùn)動(dòng)，其大頭B端與曲柄一端相連，做等角速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連桿小頭與活塞相連，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。為使問題簡單化，在實(shí)際分析中，一般將連桿簡化成分別集中于連桿大頭及小頭的兩個(gè)集中質(zhì)量，認(rèn)為它們?cè)诜謩e做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣以來就不需要對(duì)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究［8］。當(dāng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度是隨時(shí)變化的。它的速度和加速度數(shù)值以及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)及發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作有很大影響，因此研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。2.1.1活塞位移假設(shè)在某一時(shí)刻，曲柄的轉(zhuǎn)角為a，按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，連桿軸線在連桿運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸軸線角度為P，如圖2.1所示。當(dāng)a=0。時(shí)，活塞銷中心A在氣缸最上面的位置*，這個(gè)位置稱為上止點(diǎn)。當(dāng)a=180。時(shí)，A點(diǎn)在氣缸最下面的位置％，這個(gè)位置稱為下止點(diǎn)。此時(shí)活塞的位移⑼x為：x=A/=AO—AO=(r+1)一(rcosa+1cosP) (2.1)為了分析方便將上式的變量消去一個(gè)，以a代替P。為此。在AOBA中，由正弦定理可

圖2.1圖2.1中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖a——曲軸轉(zhuǎn)角；P——連桿擺角；r——曲柄半徑;S——活塞行程；l——連桿長度；x——活塞位移得 rsina=lsinP令 人=r/lr.得sinP=—sina=人sina上式由三角公式cosP=(1一sin2p=%1-人2sin2a=(1-Z2sin2a)2右端可按牛頓二項(xiàng)式展開，故上式n-1) 4(4-1)(L-2)cosP=1一一處sin2a+2-2 處sin4a-2-2 2 Ksin6a2! 3!、-1)(1-2)(!-3)+二__2__2_弗sin8a+…4!=1——K2sin2a——K4sin4a——K6sin6a—???2 8 16現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)連桿比人=0.23?0.31，而sina<1，故上式展開的前兩項(xiàng)就足夠精確即cosP=1一上處sin2以2將上式及X=r帶入公式(21),并簡化為lx=l+r-[l(1-2處sin2以)+rcos以]=r(1-cos以)+2處sin2以上、l 1-cos2a=r(1-cos以)+2A2 2—入=r[(1-cos以)+(1-cos2以)]4人 故活塞的位移公式 x=r[(1-cosa)+—(1-cos2a)] (2.2)4從(2.2)可知，活塞的位移[10]按簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律呈周期性變化，位移大小和曲柄半徑和連桿比有關(guān)，并且和活塞的質(zhì)量及曲柄轉(zhuǎn)速無關(guān)。2.1.2活塞速度'將活塞位移x對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，即得到活塞的速度vdxdxda 一，.…人.(2.3)v= ①(sina+—sin2a)(2.3)dtdadt 2活塞平均速度 Cm=四=-rw=0.6366g(m)30兀 「s從式(2.3)可以看出，活塞速度可視為V]=rwsina及v2=蘭：sin2a兩個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)的和運(yùn)動(dòng)。當(dāng)a=0。或著180。時(shí)，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)方向。卻=90。時(shí)，v=rw，此時(shí)活塞的速度等于曲柄銷中心的圓周速度。2.1.3活塞加速度advdvdaa= =——-——=rw2(cosa+入cos2a) (2.4)dtdadt因此，活塞加速度也可以看成兩個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)加速度之和，即由a1=r?2cosa和a=rw2人cos2a兩部分組成。22.1.4連桿運(yùn)動(dòng)分析[11]連桿運(yùn)動(dòng)是隨著活塞平移及繞著活塞銷(或十字頭銷)擺動(dòng)的兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合。連桿隨著活塞平移速度和加速度就是活塞速度和加速度。從連桿與氣缸中心線重合算起，連桿繞著活塞銷的角位移P，從a=0。?180。范圍內(nèi)角位移P為正值;在a=180。?360。范圍中角位移P為負(fù)值。通過對(duì)活塞和連桿之間運(yùn)動(dòng)分析和活塞的計(jì)算，可得到連桿的角速度，角位移和角角速度，如表1。表2.1連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律精確公式近似公式最大值角位移P6=arcsin（人sina）6=人sina（1+6^2sin2a）當(dāng)a=90。，270。時(shí)6 =±人（1+』處）max 6角速度6cosa6=入① cos66=人①cosa（1+2^2sin2a）當(dāng)a=0。，180。時(shí)6,=土人①角加速度6昨q（1"）血獸COs3636=-X?2sina[1一處（1一一sin2a）]2當(dāng)a=90。，270。時(shí)a?,一入6=+， ①2max<1-處2.2動(dòng)力學(xué)分析作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力分為：缸內(nèi)氣體壓力、慣性力、摩擦阻力及作用在柴油機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力。因?yàn)槟Σ亮Φ臄?shù)值較小且變化規(guī)律難以掌握，受力分析時(shí)可把摩擦阻力忽略不計(jì)。而負(fù)載阻力和主動(dòng)力處于平衡狀態(tài)，則無需考慮。2.2.1氣體壓力作用在活塞上的氣體壓力0等于氣缸內(nèi)氣體壓力和曲柄箱被氣體壓力之差與活塞面積的乘積即P=4D2（p-p） （2.5）式中D——?dú)飧字睆絇——?dú)飧變?nèi)氣體壓力P0——曲軸箱內(nèi)氣體壓力對(duì)于四沖程柴油機(jī)和用掃氣泵掃氣的二沖程柴油機(jī)，曲軸箱內(nèi)的氣體壓力變化不大，可以近似認(rèn)為P0是一個(gè)大氣壓力。因此柴油機(jī)p的變化規(guī)律和p相同。2.2.2慣性力曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量簡化曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和質(zhì)量分布情況比較復(fù)雜。如連桿做復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)，曲軸作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，定軸轉(zhuǎn)動(dòng)雖然比較簡單，但曲軸上各點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑不同，各點(diǎn)的加速度也就不同。為了簡化計(jì)算，可使系統(tǒng)簡化［12］，即將實(shí)際的質(zhì)量系統(tǒng)簡化為動(dòng)力學(xué)上相當(dāng)?shù)募匈|(zhì)量系統(tǒng)，集中質(zhì)量系統(tǒng)由兩個(gè)集中質(zhì)量組成：（1）集中于活塞銷中心的往返運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m，它等于活塞組質(zhì)量和連桿組簡化到小頭中心質(zhì)量之和。（2）集中于曲柄銷中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mr，它等于簡化到曲柄銷中心的曲拐不平衡質(zhì)量與連桿組簡化到曲柄銷中心的質(zhì)量之和。慣性力（1） 往復(fù)慣性力Pj由理論力學(xué)知，往復(fù)慣性力的大小等于往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量m.和活塞加速度?的乘積。其方向則與活塞加速度的方向相反。P=—ma=—mrS2（cosa+人cos2a）=Ccosa+C人cos2a=P+P（2.6）式中C=—mm2P=CcosajiP=C人cos2aj2當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，W一定，因此C在轉(zhuǎn)速一定時(shí)為常數(shù)。P稱為一級(jí)往復(fù)慣性力。它是曲柄轉(zhuǎn)角的余弦函數(shù)，曲軸旋轉(zhuǎn)一圈，它變化ji一個(gè)周期；P22稱為二級(jí)往復(fù)慣性力。它是曲軸轉(zhuǎn)角2倍的余弦函數(shù)，曲軸旋轉(zhuǎn)一圈，它變化兩個(gè)周期。（2） 旋轉(zhuǎn)慣性力Pr曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡化到曲柄銷中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力為P=—mrw2 （2.7）r r當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，Pr的大小一定，其方向則始終沿曲柄方向向外。2.2.3活塞上的總作用力

由前述知’在活塞銷中心處’同時(shí)作用有氣體作用力P和往復(fù)慣性加，由于作用力方向都沿著中心線，因此只需代數(shù)相加，即可求得合力PS(2.8)2.2.4活塞上總作用力（合力）％分解與傳遞如圖2.2所示，先將合力p分解成兩個(gè)分力：沿著連桿軸線作用的力K以及把活塞壓向氣缸壁的側(cè)向力N其中沿著連桿的作用力K為：K=P （2.9）￡cosp而側(cè)向力N為：N=ptanp （2.10）圖2.2作用在曲柄連桿上的力和力矩連桿作用力K的方向規(guī)定為：使連桿受壓為正號(hào)，使連桿受拉為負(fù)號(hào)；缸壁的側(cè)向力N的符號(hào)規(guī)定為：當(dāng)側(cè)向力所形成反扭矩與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，側(cè)向力為正值，反之為負(fù)值。連桿作用力K通過連桿作用在曲軸的曲柄臂上，此力也可分解成兩個(gè)力，即推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)切向力T以及壓縮曲柄臂徑向力Z。（2.11）T=Ksin(a+p)=PS^n^il￡cosp（2.11）(2.12)Z=Kcos(a+P)=pcos(a;0)(2.12)規(guī)定力T和曲軸旋轉(zhuǎn)方向一致為正，力Z指向曲軸為正。2.3本章小結(jié)本章先是分析了四沖程柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)情況，著重分析了活塞的速度，位移，加速度情況，最后分析了機(jī)構(gòu)的受力情況。經(jīng)過本章的介紹，可以比較清晰的對(duì)柴油機(jī)原理有了深刻理解，能較好的幫助輪機(jī)人員在以后工作中有所幫助，也為本文后面的運(yùn)動(dòng)仿真做了理論知識(shí)的鋪墊工作。船舶柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與動(dòng)力分析第三章"ADAMS介紹與二沖程柴油機(jī)建模本章著重于對(duì)ADAMS軟件的介紹和對(duì)二沖程柴油機(jī)建立虛擬樣機(jī)模型［13］,對(duì)后面章節(jié)的運(yùn)動(dòng)仿真做好準(zhǔn)備工作。3.1ADAMS軟件簡介ADAMS（AutoDynamicAnalysisofMechanicalSystems）軟件［14］，是由美國機(jī)械動(dòng)力公司（MechanicalDynamicsInc.）（現(xiàn)已經(jīng)并入美國MSC公司）開發(fā)的最優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，是目前世界上最具權(quán)威性的，使用最廣的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，在全球占有率最高°ADAMS軟件可以廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)機(jī)械、汽車工程、鐵路車輛及裝備、工程機(jī)械等領(lǐng)域。國外的一些著名大學(xué)也已開設(shè)了介紹ADAMS軟件的課程，而將三維CAD軟件、有限元軟件和虛擬樣機(jī)軟件作為機(jī)械專業(yè)學(xué)生必須了解的工具軟件。ADAMS一方面是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。另一方面，又是機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件分析開發(fā)工具，其開放的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。ADAMS與先進(jìn)的CAD軟件（UG、PRO/E）以及CAE軟件（ANSYS）可以通過計(jì)算機(jī)圖形交換格式文件相互交換以保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性°ADAMS軟件支持并行工程環(huán)境，節(jié)省大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。利用ADAMS軟件建立參數(shù)化模型可以進(jìn)行設(shè)計(jì)研究、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析。為系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化提供了一種高效的開發(fā)工具。ADAMS軟件特點(diǎn)如下：?利用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫建立機(jī)械系統(tǒng)三維參數(shù)化模型。?分析類型包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和準(zhǔn)靜力學(xué)分析，以及線性和非線性動(dòng)力學(xué)分析，包括剛體和柔性體分析。?具有先進(jìn)的數(shù)值分析技術(shù)和強(qiáng)有力的求解器，使求解快速、準(zhǔn)確。?具有組裝、分析和動(dòng)態(tài)顯示不同模型或同一個(gè)模型在某一個(gè)過程變化的能力，提供多種“虛擬樣機(jī)”方案。?具有一個(gè)強(qiáng)大的函數(shù)庫供用戶自定義力和運(yùn)動(dòng)發(fā)生器。?具有開放式結(jié)構(gòu)，允許用戶集成自己的子程序。?自動(dòng)輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，仿真結(jié)果顯示為動(dòng)畫和曲線圖。?可預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞、包裝、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷。支持同大多數(shù)CAD、FEA和控制設(shè)計(jì)軟件包之間的雙向通信。ADAMS軟件包括核心模塊ADAMS/view（基本環(huán)境）、ADAMS/Solver（求解器）、ADAMS/PostProcessor（后處理）以及一些專業(yè)模塊。ADAMS/view（界面模塊）圖形界面的交互式設(shè)計(jì)環(huán)境，包括建模和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析等。ADAMS/view提供可視化的建模功能。不過相對(duì)一些著名的CAD軟件，大家可能感到不喜歡。對(duì)于復(fù)雜的圖形，建議在UG，Solidworks，Po/e等軟件中建立，然后倒入ADAMS中。ADAMS/view提供了一個(gè)直接面向用戶的基本操作對(duì)話環(huán)境和虛擬樣機(jī)分析的前處理功能，其中包括樣機(jī)的建模和各種建模工具、樣機(jī)模型數(shù)據(jù)的輸入和編輯、與求解器和后處理等程序的自動(dòng)連接、虛擬樣機(jī)分析參數(shù)的設(shè)置、各種數(shù)據(jù)輸入和輸出、同其他應(yīng)用程序的接口等.ADAMS仿真分析結(jié)果的后處理，可以通過調(diào)用后處理模塊 ADAMS/PostProcessor來完成。ADAMS/PostProcessor模塊具有相當(dāng)強(qiáng)的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可以繪制各種分析曲線。除了可以直接繪制仿真結(jié)果曲線外，ADAMS/PostProcessor還可以對(duì)仿真分析曲線進(jìn)行一些數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算；可以輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制實(shí)驗(yàn)曲線，并同仿真結(jié)果進(jìn)行比較；可以進(jìn)行分析結(jié)果曲線圖的各種編輯。ADAMS進(jìn)行建模和仿真的步驟[15]1、 創(chuàng)建一個(gè)包括運(yùn)動(dòng)件、運(yùn)動(dòng)副、柔性連接和作用力等在內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)模型；2、 通過模擬仿真模型在實(shí)際操作過程中的動(dòng)作來測試所建模型；3、 通過將模擬仿真結(jié)果與物理樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照比較來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的方案；4、 細(xì)化模型，使仿真測試數(shù)據(jù)符合物理樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；5、 深化設(shè)計(jì)，評(píng)估系統(tǒng)模型針對(duì)不同的設(shè)計(jì)變量的靈敏度；6、 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，找到能夠獲得最佳性能的最優(yōu)化設(shè)計(jì)組合；7、 使各設(shè)計(jì)步驟自動(dòng)化，以便能迅速地測試不同的設(shè)計(jì)可選方案。3.2建?？梢岳肞ro/E軟件建立模型然后導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行仿真分析。3.2.1利用Pro/E和ADAMS對(duì)內(nèi)燃機(jī)仿真分析步驟介紹ADAMS軟件是一款很好的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，能方便地實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)試驗(yàn)分析，且在內(nèi)燃機(jī)虛擬樣技術(shù)中使用較為廣泛，但是由于ADAMS/view實(shí)體造型功能比較弱，對(duì)于像曲柄連桿復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，零件的幾何外形不規(guī)則，因此利用ADAMS建立三維模型就很不容易實(shí)現(xiàn)，且ADAMS需要的許多參數(shù)無法精確確定，所以經(jīng)常得不到正確結(jié)論［16］。所以常用的分析方法是用CAD軟件建模，然后用專業(yè)的動(dòng)力仿真軟件聯(lián)合進(jìn)行。本文將利用Pro/E軟件及ADAMS軟件聯(lián)合建立單缸二沖程曲柄連桿機(jī)構(gòu)仿真模型。利用Pro/E靈活的轉(zhuǎn)配功能將沒有運(yùn)動(dòng)的零件組成一個(gè)裝配體，以方便剛體定義。MECHANANISM/Pro是連接Pro/E和ADAMS的接口模塊，兩者是采用無縫連接方式，對(duì)裝配體進(jìn)行剛體定義和施加約束后，然后通過MECH/Pro將模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，基本步驟［17］如圖3.1所示圖3.1內(nèi)燃機(jī)建模和仿真分析步驟首先，利用Pro/E建立柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零件的三維模型，然后進(jìn)行模型裝配，為了防止Pro/E和ADAMS軟件間圖形數(shù)據(jù)傳遞過程中丟失數(shù)據(jù)，在導(dǎo)入過程中需要專用接口模塊MECH/Pro,這可以根據(jù)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)關(guān)系將它們裝配并生成剛體，并添加一些簡單約束和標(biāo)記等。因?yàn)閺腜ro/E裝配環(huán)境到ADAMS環(huán)境下時(shí)，Pro/E裝配系統(tǒng)的坐標(biāo)與ADAMS的Global坐標(biāo)必須得到重新重合。所以，在Pro/E的裝配環(huán)境下，應(yīng)在整體模型特定點(diǎn)建立局部坐標(biāo)，并按照坐標(biāo)對(duì)齊方式重新定義整體模型位置，使新建立局部坐標(biāo)和裝配系統(tǒng)的坐標(biāo)對(duì)齊；另外，將定義好的剛體傳到ADAMS/view環(huán)境下時(shí)，再添加復(fù)雜約束及力等，進(jìn)一步完善模型。最后通過ADAMS/Slover（求解器）把模塊求解后，利用ADAMS/Postprocessor模塊來處理仿真的數(shù)據(jù)，深入分析并加以優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.2.2某型號(hào)二沖程柴油機(jī)虛擬樣機(jī)在ADAMS的建模參數(shù)在宋玉超老師的悉心指導(dǎo)幫助下，利用MECH/Pro接口將某型號(hào)二沖程柴油機(jī)Pro/E模型導(dǎo)入ADAMS/view后，如圖3.2.該型號(hào)柴油機(jī)部分參數(shù)如下：氣缸數(shù)：6, 2沖程缸徑：500mm行程：2000mm最高爆發(fā)壓力：151bar單缸功率：1580kw額定轉(zhuǎn)速：127rpm其中此模型所用到的約束如表3.1圖3.2某型號(hào)二沖程柴油機(jī)單缸模型表3.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)各部件之間的約束關(guān)系序號(hào)節(jié)點(diǎn)名稱約束組件約束類型個(gè)數(shù)備注1Joint_1活塞、機(jī)體Translationsl1上下移動(dòng)2Joint_2連桿、活塞Revolute1轉(zhuǎn)動(dòng)3Joint_3機(jī)體、地面Fixed1固定4Joint_4曲柄、連桿Revolute1轉(zhuǎn)動(dòng)5Joint_5曲柄、機(jī)體Revolute1轉(zhuǎn)動(dòng)

第四章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真本章將對(duì)某二沖程柴油機(jī)活塞進(jìn)行動(dòng)力仿真，得到一系列速度，加速度，位移曲線，并對(duì)其進(jìn)行分析。4.1進(jìn)行仿真建立柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)物理模型后，添加完約束，共有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，一個(gè)運(yùn)動(dòng)副，一個(gè)固定副。在系統(tǒng)中，通過給曲柄添加一個(gè)恒定轉(zhuǎn)速為127rpm的激勵(lì)，來模擬柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)在127rpm（762度每秒）的運(yùn)動(dòng)。設(shè)置如圖4.1圖4.1joint_5的運(yùn)動(dòng)設(shè)置圖圖4.1joint_5的運(yùn)動(dòng)設(shè)置圖4.2工具箱在工具箱（如圖4.2）單擊控制圖標(biāo)國。點(diǎn)擊開始仿真圖標(biāo)模型開始運(yùn)動(dòng)，到來結(jié)束時(shí)間運(yùn)動(dòng)結(jié)束，如圖4.3所示。4.2測量仿真結(jié)果4.2.1活塞位移1.進(jìn)入Adams/view后，在工具箱（如圖4.2）中點(diǎn)擊Le，進(jìn)入Adams/Postprocessor.

2.如圖4.4所示，在左下角source選項(xiàng)中選擇resultsets。圖4.3運(yùn)動(dòng)仿真圖4.4Adams/Postprocessor后處理控制區(qū)域點(diǎn)擊圖4.4右下角data選項(xiàng)，出現(xiàn)圖4.5復(fù)選框，依次選擇motion_1，ANG,最后點(diǎn)擊OK.此步驟的目的是以曲柄轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，來繪制位移一曲柄轉(zhuǎn)角曲線。在圖4.4右邊，選擇“onecurveperplot”，使一頁一個(gè)曲線。如圖4.6所示，依次點(diǎn)擊“Objectsmarker_7translational_displacementy”點(diǎn)擊“addcurves”，便得到活塞上標(biāo)記點(diǎn)7位移曲柄轉(zhuǎn)角曲線，如圖4.7

■'IIndepertdentAxisBrowserSimulationResultSetComponentJOINTiJQIWTJOI1TTjciiitjGiirrJj'ICancelcariTi*CE.3.Tig_rcd_XFGaMcr-nJcahiftKTOftM4.5選擇橫坐標(biāo)自變量參數(shù)Data|Maih|ModelFilterObjectCharacteristicComponeni廠Surf+crAnksha￡cplsr□□cz.MMKE叩KAMZ七LO0 1Tj圖4.6選擇活塞上標(biāo)記點(diǎn)7準(zhǔn)備繪圖kAdains/PostProcessorMDAdornsK3Eile■'IIndepertdentAxisBrowserSimulationResultSetComponentJOINTiJQIWTJOI1TTjciiitjGiirrJj'ICancelcariTi*CE.3.Tig_rcd_XFGaMcr-nJcahiftKTOftM4.5選擇橫坐標(biāo)自變量參數(shù)Data|Maih|ModelFilterObjectCharacteristicComponeni廠Surf+crAnksha￡cplsr□□cz.MMKE叩KAMZ七LO0 1Tj圖4.6選擇活塞上標(biāo)記點(diǎn)7準(zhǔn)備繪圖kAdains/PostProcessorMDAdornsK3EileEditMewElotladsUelp|p瞰叫可,表閻引峋*|\|A|岑|W愚ISilSBLDiai[EE■Bl3VIH-->MQDEL_1!■Aanalysis!■Adate!■AlHIebcurvft1I I. ._r-haMisI Ii—WKIE--lagQnd_at4acl-□page.?NajrneFhei(E￡-l41-h1J3-l26.750-225DO-1S2E-.QMQDEL17200WOf0DO i?.DAidlyy^'Lisl_Rin5400MieI。頸iDMD2012-H-13M-33：[T7CuEpcmuntSurfIndependentAxis廣TimeGDalaDau|MathClB7Plnl.IdCiTIgBNG□nePerPlot圖4.7活塞上的標(biāo)記點(diǎn)Marker_7位移曲柄轉(zhuǎn)角曲線4.2.2活塞速度如圖4.6所示，依次點(diǎn)擊“Objectsmarker_7Translational_velocityy”，

并且點(diǎn)擊“addcurves”，便可得到活塞上的標(biāo)記點(diǎn)Marker_7速度一一曲柄轉(zhuǎn)角曲線，如圖4.8=I回I=I回I盆「Addms,iTD5tF■MOAdamsRJ ―—一 ElseEdrtMewElnlladsHelp圖4.8活塞上的標(biāo)記點(diǎn)Marker_7速度一一曲柄轉(zhuǎn)角曲線4.2.3活塞加速度如圖4.6所示，依次點(diǎn)擊“Objectsmarker_7Translational_acceleration--y”,并且點(diǎn)擊“addcurves”,便可得到活塞上的標(biāo)記點(diǎn)Marker_7加速度 曲柄轉(zhuǎn)角曲線，如圖4.8.4.2.4曲柄角速度選擇曲柄上一點(diǎn)marker_13，繪制出曲柄的角速度一一時(shí)間關(guān)系如圖4.10所示。Adams/FostPrc*c?sc<MD R3=回KIEi"Edit址血PMloofe也沖Pi珈聞mAdams/FostPrc*c?sc<MD R3=回KIEi"Edit址血PMloofe也沖Pi珈聞m■劃jj|zt|收Io|、0]%|￡]土|闋|困叵口畫［EtEBsia^!■■A由旭1-AtileI-currf_1!■■haxrs卜曲弓匚|州村詔_啊i-(JpME_3Aanalydie卜A由世[■Atile|currf_1j-ha>~feka>is,-lfrgeTtd_c*jKt二NameFiIlmr^OffiLiis|Nurtit^rsTics圖4.9活塞上的標(biāo)記點(diǎn)Marker_7加速度一一曲柄轉(zhuǎn)角曲線3AdamVPM-t^rDCtsiarMDAdamsR3圖4.10曲柄的角速度一一時(shí)間關(guān)系4.3進(jìn)行仿真錄像在ADAMS/Postprocessor頁面中，在左上方主菜單中選擇“animation”替代“plotting”，然后在中間空白處右鍵鼠標(biāo)，選擇“l(fā)oadanimation”進(jìn)行裝載仿真如圖4.11點(diǎn)擊左下角…，模型運(yùn)動(dòng)，同時(shí)點(diǎn)擊?，進(jìn)行仿真錄像。錄像保存在Adams文件夾下如圖4.11。4.4對(duì)仿真結(jié)果分析及本章總結(jié)首先分析圖圖4.10曲柄的角速度一一時(shí)間關(guān)系，此目的是驗(yàn)證虛擬樣機(jī)曲柄是不是以127RPM的轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)行的。從仿真結(jié)果上看，曲線在一開始較短時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)數(shù)從零迅速上升到很大值，最后穩(wěn)定于762度沒秒（即127RPM），說明基本符合實(shí)際柴油機(jī)運(yùn)行工況。因此該實(shí)驗(yàn)手段是可信的。本章先是對(duì)某型號(hào)二沖程柴油機(jī)單缸的虛擬樣機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，接著逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞上標(biāo)記點(diǎn)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的測量，并將速度、位移、加速度隨曲柄轉(zhuǎn)角的曲線繪制出來，以活塞上的一點(diǎn)來反映整個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)情況。最后錄制了曲柄連桿的仿真運(yùn)動(dòng)錄像。圖4.11仿真過程的錄制錄像結(jié)論本文通過對(duì)柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受力理論分析及軟件動(dòng)力仿真得出以下結(jié)論：（1） 從活塞上的標(biāo)記點(diǎn)Marker_7位移曲柄轉(zhuǎn)角曲線圖4.7和活塞的位移公式（2.2）知：活塞的位移按簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律呈周期性變化，位移大小和曲柄半徑和連桿比有關(guān)，并且和活塞的質(zhì)量及曲柄轉(zhuǎn)速無關(guān)。（2） 從活塞速度變