运用adams进行发动机曲轴系的动力学分析

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1、美国MDI(MechanicalDynamicsInc)公司2001年中国用户年会论文集运用ADAMS进行发动机曲轴系的动力学分析覃文洁廖日东北京理工大学车辆与交通工程学院北京100081摘要：往复活塞式内燃机的曲轴及连于其上的活塞、连杆、飞轮等各构件的运动、受力及扭转振动是其动力学分析的主要内容。本文讨论了运用多体系统动力学分析软件ADAMS进行发动机曲轴系建模和分析的方法，结合有限元分析软件ANSYS建立了某型车辆V型六缸发动机曲轴系的多体系统动力学模型，并对其平衡特性和曲轴的扭振响应进行了分析。关键词：曲轴系，ADAMS，多体系统动力学1.引言往复活塞式内燃机的曲轴系是由曲轴及连于其上的

2、活塞、连杆、飞轮等构件组成的，其动力学分析主要包括各构件的运动与受力分析、发动机的平衡性分析以及曲轴系的扭振分析等内容。作用于系统上的力来自两个方面，一是气缸内的气体爆发压力，二是运动质量产生的惯性力，它们会对机体产生作用力和力矩。由于这些力和力矩是不可能完全平衡的，就会造成发动机及其支架的振动，导致紧固件松动，个别零件过载损坏，噪音增大，车辆乘员疲劳等不良后果。因此有必要在发动机设计阶段进行平衡性分析和曲轴系的振动分析，为设计选型和具体的结构设计提供依据。传统的分析方法是在对各构件进行运动分析的基础上，计算出各自产生的旋转惯性力和往复惯性力，与气体爆发压力合成后求解出对机体的作用力以及曲轴系

3、振动的激振力，这是一个十分繁琐的过程。运用机械系统仿真软件ADAMS，通过建立包括活塞、连杆、曲轴、飞轮在内的整个曲轴系的多体系统动力学模型，不仅可以计算出各构件的运动规律和构件间的作用力，还可以进一步进行平衡性分析和振动分析。本文针对某型车辆的V型六缸发动机的曲轴系，在ADAMS中建立其多体系统动力学模型，并进行了相应的动力学分析。2.发动机曲轴系的建模方法根据分析的具体内容不同，发动机曲轴系可以建为不同的模型。对于平衡性分析而言，由于考虑的是运动构件惯性力的平衡，可采用多刚体系统模型计算，刚体的质量、质心位置及惯性矩可利用CAD软件（如Pro/E）建立其精确实体模型后分析得到。而要分析曲轴

4、系的振动，则需要将曲轴建为柔性体。曲轴柔性体的建模也可以采用不同的方法。一种方法是根据传统的将曲轴系简化为盘轴系统的思想，将曲轴划分为由自由端、曲柄段、主轴颈段和尾段等若干刚性段组成的系统，每段之间采用弹性联接，其刚度就是被连接两轴段之间的刚度，刚度值可运用有限元分析得到。另一种方法是采用相对描述的方法，将构件的运动分解为刚性整体的牵连运动和相对动参考系的变形运动两部分，其中变形运动采用模态向量及相应的模态坐标来描述，即[1]其中φ=[φ1φ2…фN]为模态向量矩阵，qη=qη-151-美国MDI(MechanicalDynamicsInc)公司2001年中国用户年会论文集（t）为模态坐标，N

5、为模态向量数。模态分析可利用有限元分析软件来完成，通过生成模态中性文件（.mnf文件）可直接输入ADAMS建立柔性体模型。由此可以看出，发动机曲轴系的建模综合使用了CAD软件、有限元分析软件和机械系统仿真软件，三者之间的数据传递关系如图1所示[2]：系统中各构件间的约束视分析的问题可采用理想约束，但在计算机体的支承力时应计及支承刚度，即采用弹性支承。作用于系统的外力主要是气体的爆发压力，该力是曲轴转角的函数，可根据示功图得出，沿气缸轴向施加于活塞顶部。图1CAD软件、有限元分析软件和系统动力学分析软件的数据流3.某型车辆V型六缸发动机曲轴系的多体系统模型3.1多刚体系统模型该模型可用于计算系统

6、中各构件的运动规律及构件间的相互作用力，进行平衡性分析。图2就是某型车辆V型六缸发动机曲轴系的多刚体系统模型，其中活塞、连杆、曲轴等构件的质量、质心位置及惯性矩是采用Pro/E软件建立了相应零件的精确实体模型后分析得到的。图2多刚体系统模型-151-美国MDI(MechanicalDynamicsInc)公司2001年中国用户年会论文集3.1含曲轴柔性体的多体系统模型曲轴的柔性体是利用有限元分析软件ANSYS对曲轴建立有限元模型，并进行模态分析计算出曲轴的前20阶模态之后，产生一个模态中性文件（.mnf文件）输入ADAMS中建立的。在建立曲轴的有限元模型时，需要在主轴颈与机体以及曲柄销与连杆相

7、连的位置设置结点，以便在该处施加约束。下图就是在ANSYS中建立的曲轴有限元模型：图3曲轴的有限元模型其它零件在系统中的作用只是传递气体爆发压力和由于运动产生惯性力，建为刚体即可。将多刚体系统中的刚体曲轴换为柔性曲轴就得到多体系统模型，如下图所示：图4含曲轴柔性体的多体系统模型4.分析结果4.1发动机的平衡性分析采用多刚体系统模型，对曲轴施以速度为发动机额定转速的旋转运动激励，求得活塞、连杆、曲柄