基于虚拟样机技术的曲轴轴系多体动力学研究及扭振分析

【摘要】曲轴作为发动机的重要部件之一，一直以来是人们研究的重要对象。随着科学技术的迅猛发展，以发动机作为动力的机械设备日益增加，人们对发动机的要求也越来越高，尤其对于NVH性能的要求显的更加突出。曲轴扭振是该性能研究的一个重要组成部分。而用传统的扭振研究方法需要耗费大量的时间和金钱，这对企业降低开发成本和迅速抢占市场也是非常不利的。采用虚拟样机技术，将CAD技术、有限元法和多体动力学仿真技术相结合来研究曲轴系统扭振问题是发动机设计的发展方向。本文以6V150发动机为研究对象，结合有限元软件ANSYS和多体动力学仿真软件ADAMS对曲轴轴系进行了多体动力学仿真研究和扭振分析。根据扭振仿真分析结果，优化设计两种不同类型减振器来达到减振的目的，并对比减振效果选出了最佳减振器。本论文的主要工作如下：1）在Pro/E中建立轴系的零部件模型，完成装配。将装配好的模型体导入ADAMS中，在零部件间加上约束，得到多刚体模型。之后，在ANSYS软件中完成曲轴的模态分析。在此基础上制作中性文件导入ADAMS中，并将柔性体曲轴和刚性曲轴进行替换，从而得到刚柔混合模型。2）利用ADAMS软件对曲轴轴系多刚体系统和刚柔混合系统模型进行了运动学和动力学仿真分析，得到相关参量，如活塞速度及加速度、曲柄销受力、活塞销受力和主轴颈受力等。分析对比两种模型中以上参量的变化情况，以便得到曲轴柔性化对曲轴轴系动力学特性的影响。3）根据发动机曲轴扭转振动的传统方法计算并绘制轴系扭振系统的各谐次扭振力矩矢量图，在理论上得出引起曲轴系统的强烈共振的简谐阶数是1.5的整数倍。接着，对实际曲轴系进行当量系统简化和扭转振动计算，得到该发动机轴系的固有频率、相对振幅值、振型图、临界转速及其临界转速谱图。在ADAMS软件中，通过施加不同工况下的爆发压力，仿真计算得曲轴自由端的扭振情况和相应频域响应曲线。重点对额定转速下的扭振结果分析可知，在4.5、7.5、8.5谐次产生的扭转振幅幅值较大需引起重视。4）简述扭振的减振方法，根据前面的扭振仿真结果，通过优化设计减振器来达到减振的目的。依据橡胶减振器设计原理，通过初步选定定调比设计5种方案的橡胶减振器，并分别装在虚拟样机模型中进行仿真计算得出相应的曲轴自由端扭振曲线。对比仿真结果选出减振效果最佳的2号减振器。同样，在硅油减振器理论设计的基础上，采用求解非线性有约束的二元优化函数进行优化设计。将设计好的硅油减振器装于模型中进行仿真计算，输出扭振曲线。对比分析两种减振器减振效果，确定硅油减振器为最优减振器，同时实现减振的目的。通过对上述研究工作的结果分析显示，在发动机设计过程中可以利用虚拟样机技术来预测发动机的扭振情况，为研究发动机减振降噪提供了一个新方法。
【作者】陈翔；
【导师】崔志琴；
【作者基本信息】中北大学，机动武器系统工程，2014，硕士
【关键词】发动机；轴系；虚拟样机技术；扭转振动；多体动力学；

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