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当内燃机系统动力学仿真

发布时间:2021-09-11 18:48:27 阅读: 来源:风扇灯厂家

内燃机系统动力学仿真

一、引言

汽车内燃机作为整车研发中技术含量最高、最核心的技术,开发目标的要求和难度越来越高。为满足现代汽车内燃机工业的发展需要,必须对传统的以经验加试验的设计方法进行改进。近年来,虚拟样机技术在内燃机领域获得了越来越广泛的应用。ADAMS(Automatic Dynamic Analysisof Mechanical System)是美国MDI公司(2002年被MSC收购)研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机专业软件。现在世界上主要汽车制造商都在应用ADAMS数字化虚拟样机软件,它可仿真任何运动系统。ADAMS虚拟样机技术的基本应用过程如图1所示。本文初步实现其中的前期处理部分,通过建立内燃机的虚拟样机模型,利用ADAMS软件对其进行了动力学仿真分析,仿真结果与客观实际相符。本文应用虚拟样机技术对内燃机模型进行动力学仿真,为汽车内燃机的设计提供了新思路。

二、内燃机虚拟样机建模

(一)将三维模型导入ADAMS仿真环境

本文采用美国PTC公司的Pro/E作为建模软件,建立的内燃机主体三维模型如图2所示。然后利用ADAMS/Exchange模块将在Pro/E中装配好的内燃机模型导入ADAMS/View环境下(先将文件转换为.igs格式),在这个过程中内燃机各个零件之间的装配关系是保持不变的,建立的虚拟样机如图3所示。

(二)2.2材料设置及运动副的施加

将三维模型导入ADAMS后,需对模型赋予材料属性,力学属性,再根据实际的运动学关系对发动机模型主要部件之间施加约束,定义构件运动的初始条件,将其定义为机械系统仿真模型,进行系统动力学仿真。

本文创建活塞零件材料为铝合金,其密度和弹性模量设置如图4所示,同理给连杆、曲轴、气阀和凸轮轴设置材料属性。使用ADAMS/View中的约束库在零件之间创建约束副(Constraint),以确定零件之间的连接情况以及零件之间是如何相对运动的。

1.将气缸盖与气缸体定义为固定体,与大地(ground)相联;

2.凸轮轴与气缸盖之间的旋转副(RevoluteJoint);

3.凸轮轴与气阀之间定义为固体与固体接触(Contact-SolidtoSolid);

4.四个气阀与气缸盖之间的移动副(TranslationalJoint);

5.活塞与气缸体之间的移动副;

6.活塞销与连杆小头之间的旋转副;

7.连杆大头与曲柄之间的旋转副;

8.曲轴与气缸体之间的旋转副。

(三)载荷的施加

载荷的施加包括定义气缸对活塞的压力、气阀杆顶端和气缸盖之间的弹簧力、凸轮和气阀之间加入面-面接触力、重力加速度。其中,根据气缸内流体动力学数值仿真结果,利用一个工作循环内的缸内压强数据,可以得到气缸内压强曲线(DataSpline)SPLINE_fpiston,如图5所示。图中自变量X表示时间(单位为毫秒),因变量Y表示气缸内气体压强(单位为105帕)。活塞所受的总的气体平均压力为活塞上、下两侧空间内的气体压强差与活塞截面积的乘积。在ADAMS中燃气压力采用Spline函数进行曲线定义,采用AKISPL函数式进行表达。

三、测试和验证模型

创建完模型后,可以对模型进行运动仿真,通过测试整个模型或模型的一部分以验证其运动的正确性。在对模型进行仿真的过程中,ADAMS/View自动计算模型的运动特性和力学特性,如距离、速度、加速度、力、力矩等信息。

(一)创建驱动(Motion)

创建旋转驱动MOTION_crank,将它应用于曲轴与气缸体之间的旋转副JOINT_revcrank。设置发动机以恒定转速运行,转速为3000rpm;设置仿真步长为0.1ms,仿真时间为40ms,即发动机的一个工作循环,仿真类型为动力学仿真(Dynamic)。

(二)创建测量(Measure)

1.曲轴转角和连杆摆角

利用函数创建曲轴转角(rotate_angle)的测量参数,输入参数表达式0但对结晶高聚物而言.1PItime;利用角度测量方法(BuildMeasureAngle)创建连杆摆角(tilt_angle而无需将其插入电源插座)的测量。

2.活塞所受合力及发动机的指示转矩

当不考虑与气缸壁的摩擦力时,活塞所受合力为作用于活塞上的气体压力和惯性力,由于作用方向都是沿气缸中心线,故作用于活塞上的合力是气体压力与往复惯性力的代数和,所以合力的参数表达式为:.ston_gas_force+.ston_inertia_force合力将在曲柄连杆机构中产生一系列的力和力矩。如图6所示,可以将合力F进行分解以分析力的传递效果。发动机指示转矩(indicate_torque)的参数表达式为:ABS(.ston_total_force30(sin((.tate_angle+.lt_angle)PI/180)/(cos(.lt_anglePI/180))))。

四、仿真结果及分析

创建完成虚拟样机系统模型后,可用ADAMS/View中的Simulation/Controls对发动机主运动系统进行动力学仿真。构成成品零件仿真时ADAMS/View调用ADAMS/Solver进行求解。在仿真开始前,ADAMS/Solver根据模型的自由度判断是进行运动学仿真还是动力学仿真。如果整个模型的自由度为0,则进行运动学仿真;如果整个模型的自由度为1或者大于1,则进行动力学仿真。ADAMS提供了ADAMS/PostProcessor以提高ADAMS仿真结果的处理能力。仿真结束后可以得到模型的所有测量参数及ADAMS预设的动力学参数的变化曲线。如图7至图11所示,在曲轴以3000rpm保持匀速时,活塞和连杆的动力学特性曲线完全符合平衡状态下的物理规律。活塞速度峰值约为9.8m/s,加速度出现两个峰值,分别约为3700m/s2和2250m/s2;活塞所受合力的变化范围大致是-170000N~4000N;连杆的摆角峰值为±15°,呈正弦曲线变化;当气缸工作在燃烧阶段出现尖峰压力时,内燃机的输出指示转矩也达到最大,最大值约为180Nm,并在其他时刻有小幅波动。可以非常直观地看出,活塞的加速度曲线及其往复惯性力曲线、连杆摆角曲线及其动力学特性曲线都是呈周期性变化的。仿真分析结果可以作为发动机进一步性能优化设计的依据。

五、结束语

本文运用3D软件Pro/E建立内燃机三维模型,通过ADAMS/Exchange模块导入ADAMS,实现了Pro/E与ADAMS的无缝连接,并对内燃机虚拟样机进行了动力学仿真分析。在无实际的物理样机的条件下,ADAMS虚拟样机仿真可提供大量的运动学和力学参数结果,这些结果可用于分析机械系统运动特性,也可用于下次分析的输入。然而实际中的内燃机非常复杂,运动时涉及到很多参数,本文只是在比较低的层面上对内燃机进行动力学仿钢筋气压焊接头曲折实验结果真,以比较直观地展现内燃机的一些运动规律,得到了所有动力学参数在内燃机工作时的变化过程。

在内燃机的研究开发中,ADAMS虚拟样机技术可提高设计质量,缩短开发周期,并降低开发成本。 (end)

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