某四缸柴油机动力学计算仿真2（机型2）(附件)【字数：11271】
A four cylinder diesel engine dynamics simulation model (2) A four cylinder diesel engine dynamics simulation model (2) 曲柄连杆机构是柴油机中最关键的部件之一，由于其在柴油机工作时承受复杂、交变的冲击载荷，因此它是设计柴油机时的重点和难点。传统设计和分析方法已经难以满足柴油机实际的需要，日益发展的多体动力学和有限元方法才能较准确地分析曲柄连杆机构并对其动力学运动进行仿真。 为了更全面地研究柴油机曲柄连杆机构在工作过程中的运动规律和机构在运动过程中气缸气体力作用下曲轴的输出扭矩等问题，本文以4F20型柴油机为例，通过多体动力学仿真技术对柴油机曲柄连杆机构动力学性能进行了研究。本研究所用软件为多体动力学仿真软件ADAMS，应用ADAMS的3D建模功能分别构造了4F20柴油机曲柄连杆机构的各个部件的刚体模型，在此基础上，将各个部件装配在一起形成曲柄连杆机构的多刚体动力学模型。再通过ADAMS的仿真功能进行运动学分析和动力力学分析模拟，给出了动态仿真过程，得到了曲柄连杆机构各个构件的运动规律以及速度、加速度和位移随时间变化的情况，分析了各个构件在运行中的动态载荷。 本文采用基于ADAMS的虚拟样机技术对曲柄连杆机构进行动力学仿真，具有很好的仿真效果，其简单方便人性化的操作、精确快速的仿真分析对于优化曲柄连杆机构设计，提高柴油机工作性能有很大的帮助。同时在内燃机设计中，采用该技术大大减小了样机的制造成本和试验成本，缩短了产品开发周期。关键词柴油机、曲柄连杆机构、运动学、动力学、仿真模拟
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2国内外研究现状与手段 2
1.3本文主要研究内容及研究方法 4
第二章 曲柄连杆机构的动力学理论分析计算 6
2.1运动学理论分析 6
2.1.1活塞位移理论公式 6
2.1.2活塞运动速度理论公式 7
2.1.3活塞运动加速度理论公式 8
2.2动力学理论分析 8
第三章 柴油机曲柄连杆机构动力学模型建模 12
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
活塞模型的建立 14
3.2连杆模型的建立 16
3.3曲轴模型的建立 18
第四章 曲柄连杆机构动力学仿真分析 23
4.1添加约束和驱动 23
4.2曲柄连杆机构运动学仿真分析 24
4.3曲柄连杆机构动力学仿真分析 28
结论 36
致谢............................................................................................................................................. 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1课题研究的目的和意义
自1897年狄塞尔发明了世界上第一台四冲程柴油机，到如今遍布全世界的技术先进的柴油机，柴油机设计已有一个多世纪的发展历史。如今的柴油机具有热效率高、适应性好、结构紧凑等特点，在交通工具和许多工业领域上得到广泛地运用。20世纪50年代以来，随着科技的迅猛发展，柴油机在船舶和汽车动力装置中渐渐确立了其主导地位[1]，并且在未来的数十年内，其主导地位不会发生变化。
曲柄连杆机构作为柴油机最重要的组成部分之一，其动力学特性在很大程度上影响着柴油机的工作性能。柴油机工作时，曲柄连杆机构在高压下作高速旋转运动，其受力情况也十分复杂，同时，由于曲柄连杆机构的各个组成部件具有各不相同大的几何形状、材料特性、刚度和质量，对它进行动力学分析一直以来都是内燃机分析设计工作的难点。在多种周期性变化载荷的作用下,如何在设计过程中保证曲轴具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲轴设计的关键性问题[2]。对柴油机曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析的是为了通过对其工作过程模拟仿真，得出机构各部件的受力曲线图，分析受力并做出改进以减小活塞对气缸壁的侧压力，从而减小气缸壁的磨损。传统的分析方法有两种，分别为图解法和解析法，用这两种方法难以做到准确地确定曲轴上各个轴颈的载荷、活塞曲柄连杆之间的相互推力以及发动机的输出特性。随着社会和科学技术的进步，内燃机的设计必须满足更多更严格的要求，如内燃机的低排放、低噪音，内部构件的安全性、可靠性、耐久性等，这些性能必须在设计内燃机时通过精确的仿真分析和相应的优化来达到。这就需要利用计算机模型、分析和设计技术。
Ivan Sutherland在1965年首次提出虚拟现实的概念，之后形成了动态模拟仿真分析技术与CAD、3D建模和虚拟现实技术同步发展的局面，近几十年来，计算机仿真技术日益成熟，仿真软件越来越多且更加完善和人性化，计算分析结果的精确度越来越高，内燃机等许多机械工程领域内的设计难题以虚拟模型的形式在计算机中模拟仿真，得以解决。
ADAMS软件是美国MDI公司开发的较为完善的的机械系统运动学和动力学仿真计算软件，是在成熟的3D模型动态虚拟仿真技术的基础上发展起来的。本文先应用基本物理原理对柴油机曲柄连杆机构进行动力学和运动学计算，再运用ADAMS软件建立了4F20四缸柴油机曲柄连杆机构的装配体模型并进行仿真计算，通过理论分析与计算机仿真分析相结合的方法，对4F20型柴油机曲柄连杆机构的动力学和运动学进行全面的研究。研究目的和意义如下：
（1）在模拟机构运动过程中，观察机构的运动规律，得出部件随时间变化产生的位移、速度、加速度以及机构运动中的受力情况，为内燃机优化设计提供数据依据。
（2）在设计产品阶段，利用参数改提高内燃机的整体设计性能。
1.2国内外研究现状与手段
在机械工程领域内一直存在着一个重要的问题，即多体动力学问题，这是一个有着重大学术价值和工程意义的问题，同时也极具挑战性，一直以来国内外学者不断研究完善。多体动力学是集刚体力学、分析力学、计算机力学等为一体，在机械工程领域的应用实践中逐步发展而成的一门学问。
机构运动学分析是研究机构各构件之间的相对运动规律、运动速度和加速度随时间变化的关系；而机构动力学分析是研究曲柄连杆机构运动中的力[3]，包括气体力、惯性力、轴承力等等。经过多年的发展和完善，国内外已经有了许多动力学分析的方法，这些方法在工程上被熟练使用。下面首先介绍传统的机构动力学分析方法：图解法、解析法和复数向量法。
图解法
该方法将机构各构件的位移、加速度、速度和受力变化都通过图表的形式表现出来，利用图标显示结果，结果形象直观。图解法通常配合解析法使用，可用来对解析法的计算结果进行校核，但是，图解法存在着精度不高的缺点，不能满足日益发展的高性能内燃机设计要求。对曲柄连杆机构直接图解速度和加速度的方法最早由克莱因提出,但方法十分复杂[3]。
解析法
该方法利用基本物理原理，将机构中各个构件的运动位移和受力情况用方程租的形式表示出来，然后将各个构件的方程组联立成方程组并求解，可以得出运动副约束反力和平衡力矩。解析法还包括单位向量法和直角坐标法。
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第一章 绪论 1
1.1课题研究的目的和意义 1
1.2国内外研究现状与手段 2
1.3本文主要研究内容及研究方法 4
第二章 曲柄连杆机构的动力学理论分析计算 6
2.1运动学理论分析 6
2.1.1活塞位移理论公式 6
2.1.2活塞运动速度理论公式 7
2.1.3活塞运动加速度理论公式 8
2.2动力学理论分析 8
第三章 柴油机曲柄连杆机构动力学模型建模 12
3.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
活塞模型的建立 14
3.2连杆模型的建立 16
3.3曲轴模型的建立 18
第四章 曲柄连杆机构动力学仿真分析 23
4.1添加约束和驱动 23
4.2曲柄连杆机构运动学仿真分析 24
4.3曲柄连杆机构动力学仿真分析 28
结论 36
致谢............................................................................................................................................. 36
参考文献 37
第一章 绪论
1.1课题研究的目的和意义
自1897年狄塞尔发明了世界上第一台四冲程柴油机，到如今遍布全世界的技术先进的柴油机，柴油机设计已有一个多世纪的发展历史。如今的柴油机具有热效率高、适应性好、结构紧凑等特点，在交通工具和许多工业领域上得到广泛地运用。20世纪50年代以来，随着科技的迅猛发展，柴油机在船舶和汽车动力装置中渐渐确立了其主导地位[1]，并且在未来的数十年内，其主导地位不会发生变化。
曲柄连杆机构作为柴油机最重要的组成部分之一，其动力学特性在很大程度上影响着柴油机的工作性能。柴油机工作时，曲柄连杆机构在高压下作高速旋转运动，其受力情况也十分复杂，同时，由于曲柄连杆机构的各个组成部件具有各不相同大的几何形状、材料特性、刚度和质量，对它进行动力学分析一直以来都是内燃机分析设计工作的难点。在多种周期性变化载荷的作用下,如何在设计过程中保证曲轴具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲轴设计的关键性问题[2]。对柴油机曲柄连杆机构进行运动学和动力学分析的是为了通过对其工作过程模拟仿真，得出机构各部件的受力曲线图，分析受力并做出改进以减小活塞对气缸壁的侧压力，从而减小气缸壁的磨损。传统的分析方法有两种，分别为图解法和解析法，用这两种方法难以做到准确地确定曲轴上各个轴颈的载荷、活塞曲柄连杆之间的相互推力以及发动机的输出特性。随着社会和科学技术的进步，内燃机的设计必须满足更多更严格的要求，如内燃机的低排放、低噪音，内部构件的安全性、可靠性、耐久性等，这些性能必须在设计内燃机时通过精确的仿真分析和相应的优化来达到。这就需要利用计算机模型、分析和设计技术。
Ivan Sutherland在1965年首次提出虚拟现实的概念，之后形成了动态模拟仿真分析技术与CAD、3D建模和虚拟现实技术同步发展的局面，近几十年来，计算机仿真技术日益成熟，仿真软件越来越多且更加完善和人性化，计算分析结果的精确度越来越高，内燃机等许多机械工程领域内的设计难题以虚拟模型的形式在计算机中模拟仿真，得以解决。
ADAMS软件是美国MDI公司开发的较为完善的的机械系统运动学和动力学仿真计算软件，是在成熟的3D模型动态虚拟仿真技术的基础上发展起来的。本文先应用基本物理原理对柴油机曲柄连杆机构进行动力学和运动学计算，再运用ADAMS软件建立了4F20四缸柴油机曲柄连杆机构的装配体模型并进行仿真计算，通过理论分析与计算机仿真分析相结合的方法，对4F20型柴油机曲柄连杆机构的动力学和运动学进行全面的研究。研究目的和意义如下：
（1）在模拟机构运动过程中，观察机构的运动规律，得出部件随时间变化产生的位移、速度、加速度以及机构运动中的受力情况，为内燃机优化设计提供数据依据。
（2）在设计产品阶段，利用参数改提高内燃机的整体设计性能。
1.2国内外研究现状与手段
在机械工程领域内一直存在着一个重要的问题，即多体动力学问题，这是一个有着重大学术价值和工程意义的问题，同时也极具挑战性，一直以来国内外学者不断研究完善。多体动力学是集刚体力学、分析力学、计算机力学等为一体，在机械工程领域的应用实践中逐步发展而成的一门学问。
机构运动学分析是研究机构各构件之间的相对运动规律、运动速度和加速度随时间变化的关系；而机构动力学分析是研究曲柄连杆机构运动中的力[3]，包括气体力、惯性力、轴承力等等。经过多年的发展和完善，国内外已经有了许多动力学分析的方法，这些方法在工程上被熟练使用。下面首先介绍传统的机构动力学分析方法：图解法、解析法和复数向量法。
图解法
该方法将机构各构件的位移、加速度、速度和受力变化都通过图表的形式表现出来，利用图标显示结果，结果形象直观。图解法通常配合解析法使用，可用来对解析法的计算结果进行校核，但是，图解法存在着精度不高的缺点，不能满足日益发展的高性能内燃机设计要求。对曲柄连杆机构直接图解速度和加速度的方法最早由克莱因提出,但方法十分复杂[3]。
解析法
该方法利用基本物理原理，将机构中各个构件的运动位移和受力情况用方程租的形式表示出来，然后将各个构件的方程组联立成方程组并求解，可以得出运动副约束反力和平衡力矩。解析法还包括单位向量法和直角坐标法。
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