分类号UDC 密级 学号0608020301600、砂易争了，去军硕士学位论文基于虚拟样机技术的曲轴系动力学分析陈建伟学科名称:学科门类:指导教师:申请日期:独创性声明秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明:本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任论文“者签名界率牟州年如?日学位论文使用授权声明在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并已经在申请博士/硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意己获学位的研究生按学校规定授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即:l)提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索;2)为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。本人学位论文全部或部分内容的公布(包括刊登)授权西安理工大学研究生部办理。(保密的学位论文在解密后，适用本授权说明)论文作者签名户越蜂导~么一)钾“/胡摘要论文题目:基于虚拟样机技术的曲轴系动力学分析学科专业:机械设计及理论研究生:陈建伟签名:指导教师:薛隆泉教授签名:猛刘荣昌副教授签名:旬二暴鱼摘要发动机曲轴是发动机中最重要的部件之一，它承受复杂、交变的冲击载荷，是发动机设计的重点和难点。传统设计、分析方法的简化难以满足实际的需要，而多体动力学和有限元方法的发展使得较精确地分析曲轴动力学响应问题成为可能。本文探讨利用虚拟样机技术，通过多体动力学仿真手段对发动机曲柄连杆机构动力学性能进行研究。主要工作为:1.基于多刚体系统动力学相关理论，利用机械系统动力学分析软件ADAMS中View模块的建模功能，建立了某型号四缸发动机曲柄连杆机构的多体动力学模型。在考虑此型号发动机实际工况受力的情况下对其进行动力学仿真，得出各连杆轴颈处的受力情况，为曲轴圆角滚压及曲轴强度分析提供力学分析的边界条件。2.利用通用有限元分析软件ANSYS对发动机曲轴的自由模态进行有限元分析，为动态响应分析和结构动力修改提供可靠的动力学模型。3.运用ADAMSMbrtaion对曲轴进行受迫振动分 析。4.利用ADAMSMew的二次开发技术，根据仿真模型的要求，开发了曲柄连杆机构的参数化设计系统，创建了使用更为方便的用户菜单和参数输入对话框，以使用户可以快速、自动、准确地建立此类连杆机构的动力学分析模型，进行仿真分析。本论文得到国家自然科学基金“曲轴滚压关键参数设计理论研究”立项资助(项目编号:50675060)，特此致谢!关键词:虚拟样机技术;动力学建模;ADAMS;二次开发;自由模态;受迫振动;，ANSYS少AbstraCt TitlG:DYNAM!CANALYSISOFCRANKSHAFTSYSTEMBASEDONVIRTUALPROTOTYPINGTECHNOLOGY Major:MechanicalDesign&TheoryName:JianweiChGnSuPervisor:ProlLongquanXUESAsociateProf.RongchangLIUSignatureSignature』献诫乙知似:应些珊，俨幼5ignature:纽竺上匀认呀AbstFaCt EnginecrankshaftaerthemostimPortantPatsintrheengine，itundereomPlex，altematingndaanalysismehtodofimPactload，theengine15thekeyanddifieult.肠aditionaldesigfnsimPlifiedtomeetthePraetiealneeds，andmultibodyd抑amdevelopmentthatPossible.15Preeiselytheerankshaftdynmaiesandfiniteelemntmetehod，hetbeeomesiesresPonseanalysisProblem mehthTisPaPer，byusingthevirutodofengineerankodralProtot即eteehndynamieologymultibodydynamnee.TahisPaperiessimulationworkor:1.ThefsystemPerform multi一igrid一bodydynamiessystembasedontherelatedtheorydynamiesanalysissoftwaerADAMSinViewusingthemeehaniealsystemofmodelingfunetion，establishthemoduleofa eertaint邓efoureylinderengineerankodsystermofmulti一bodydynamiesmodel.Inieeonsiderationoftheactualeonditionsofthemeehanicalmodelenginesituationofthedynamsimulationofeonnetingrodshaftneekforcrankshaflsterss，roundedrollingandcrankshaft strengthanalysisProvidestheboundaryeonditionsofforee.2.UsingANSYSsoftwaereral正shaflfreemodalbutdynaminiteelefmentanalysisforthed邓amofenginealieresPonseanalysis，struetruiesmodifieationandProvidereliablekinetiemodel.3.ForerankshaftereforeedVibrationanalysis.4.WithADAMS/iVwesystemibraVtionusingewADAMS/Wortools，fADAMS/iVoftheseeondarydeveloPmentoftechnology，aeeordingtotherequiremmodelwasdeveloPed，theParametersofthecrankrodsystemeonvenienitousetheusermenuestablishndaParamlinketersinPdesignentsofthesimulationsystem，ereateamoreuserscanquiekly，utdialog，givingmautomaatie，aeeuratetosimulationanalysis.nIsuehagemeehanism，thedynieanalysismodelforthisPaper，theNationalNaturalSeieneeFoundationtobe“RollingTheCrankshaft 111/了、、西安理工大学硕士学位论文 KeyDesignParametersofTheortiealReseaereh，，inafneedPrjeet(itemnumber:50675060)，ondawouldliketotharik! KEYWORDS:VitualPrrototyPing飞ehnology:DynamieModeling:ADAMS:SeeondaryDeveloPment;FreeMode;ForcedVibration;ANSYS目录目录1绪论...............................................................……11.1课题的提出及其意义............................................……11.2国内外研究现状................................................……21.3内燃机曲柄连杆机构的工作特点和设计难点........................……31.4课题研究的内容................................................……32发动机曲轴系(曲柄连杆机构)的动力学分析...........................……52.1引言........................................................··……52.2曲柄连杆机构的建模............................................……52.2.1虚拟样机技术及ADAMS软件................................……52.2.2曲柄连杆机构模型的建立过程..............................……72.3连杆机构动力学分析............................................……92.3.1曲柄连杆机构运动学分析..................................……92.3.2曲柄连杆机构动力学分析.................................……n2.3.3ADAMS/PostProcessor简介及曲柄连杆机构动力学仿真........……巧2.4小结.........................................................……813曲轴的固有动力学特性分析..........................................……91.31引言.........................................................……913.2动力学特性分析的有限元法.....................................……203.2.1模态分析理论...........................................……023.2.2动力学分析的有限元法...................................……023.2.3曲轴模态计算要求.......................................……023.2.4ANSYS软件简介..........................................……123.3N485Q曲轴自由模态分析.......................................……23.3.1N485Q曲轴有限元模型的建立..............................……23.3.2计算结果与分析.……，.................................……323.4小结.........................................................……2曲轴系受迫振动分析.................................................……724.1引言.........................................................……274.2曲轴振动研究的内容及方法.....................................……724.2.1曲轴扭转振动的研究.....................................……724.2.2曲轴弯曲振动的研究.....................................……824.2.3曲轴纵向振动的研究.................................……，…924.3ADAMS/Vibration简介.........................................……304.4曲轴系受迫振动分析...........................................……134.4.1刚柔祸合模型的建立.....................................……134.4.2从ANSYS到ADAMS的柔性体转化...........................……344.4.3曲轴受迫振动分析.......................................……384.5本章小结............................................·········……245基于ADAMS/View的人机界面二次开发..…:............................……435.1弓}言.........................................................……43广 西安理工大学硕士学位论文5.2定制用户界面.................................................……45.2.1定制菜单...............................................……45.2.2定制对话框.............................................……475.3宏命令的使用及循环命令和条件命令.............................…5.4小结.........................................................…6结论与展望........................................................…致谢..............................................................…参考文献............................................................…攻读硕士学位期间发表论文............................................…………………52354556595第一章绪论绪论1.，课题的提出及其意义内燃机是汽车、拖拉机、工程机械、船舶、移动和备用电站等的基本动力装置。自二十世纪五十年代以来，随着科学技术的迅猛发展，以内燃机为动力的各种装置的保有量日益增加，人们对内燃机的要求越来越高。而曲轴作为发动机的主要承载零件，其力学性能优劣直接影响着发动机的可靠性和寿命【”。随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加复杂。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。由于在实际的工况中，曲轴承受活塞、连杆传递的爆发压力的交变载荷作用，受力情况极其复杂。采用传统的单纯有限元分析方法，很难完成对曲轴运行过程中动态变化边界条件的描述。一般是使用单缸单拐曲轴系统，通过简化加载边界条件，完成曲轴动力响应的稳态分析工作。其计算速度快，模型构造简单但计算结果往往与实测偏差较大，不能够真实地反映曲轴在实际运行工况下的力学特性。为了真实全面地了解曲轴在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术(ADAMS)与有限元分析技术(ANSYS)相结合的方法，针对N485Q曲轴进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算，并对ADAMS/View进行了二次开发，实现了人机界面，方便人们以后在对此类曲轴进行动力学建模和仿真时，可以实现参数化输入。并且，本文运用有限元分析软件ANSYS分析了曲轴在自由模态下的动力学特性，得出其振动频率及振型。运用动力学分析软件ADAMS中振动分析模块DAAMS/V1bration，分析了曲轴在实际工作过程中，受到缸内工质压力及惯性力的综合作用下的受迫振动情况。因此，本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义。传统的机械设计一次成功率很低，其主要原因之一就是设计方案的优劣基本上要等到产品样机试制完成并经考核后才能确认，如果这时发现设计方案不符合要求，就必须改动设计重新试制，会造成很大的浪费和拖延产品开发时间。通过应用机构运动学、动力学模拟以及产品的性能模拟就有可能从根本上改变这一状况，从而提高设计效率、缩短产品开发周期、提高市场竞争力‘2’。本课题通过运用多体动力学仿真软件ADAMS建立合理的内燃机曲轴系多体动力学仿真模型，完成一个周期内的仿真，得到曲轴在实际工作周期内的动态边界条件，继而运用有限元分析软件对曲轴进行瞬态动力学分析，期望得到一周期内曲轴的动力学响应，演示其运行过程中所表现出的力学特性，由此可以清楚地了解曲轴工作过程中各部分的应力、应变，迅速找到危险部位，为曲轴的优化设计奠定基础。本文运用多体动力学仿真技术，在计算机辅助工程分析软件环境下，结合三维实体建模，有限元分析与柔性体生成技术，多体动力学的动态仿真等手段，研究开发出一种能够较精确分析曲轴在既定工况下动力学响应特性的可行方法。该方法率先使用柔性体的多体动力学仿真技犷 西安理工大学硕士学位论文术作为基础研究手段，完成了包括曲轴在工作周期内实时应力、应变分析，曲轴运动特性与动力特性分析工作，丰富了以多刚体模型作为分析基础的基本研究方法。同时也为在计算机上精确地分析曲轴的动态响应，进行曲轴的创新设计，改型设计及优化设计提供了强有力的技术保证。在产品设计阶段，利用参数改变来实现工作机构性能改善，使得机构惯性力平衡达到最优化，从而提高效率、降低成本。1.2国内外研究现状多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术，提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟试验，充分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件主要有Pro/Me。hani。S，Workingmod。13D，ADAMS等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件运动轨迹，及时发现运动干涉;对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况:根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构优化设计，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正。目前，国内大学和企业己进行了机构运动学、机构动力学方面的仿真和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构运动干涉，校核配齐机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据‘3，。国内外对内燃机工作机构的动力学分析方法很多，而且己经较完善和成熟。其中，机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动即位移、速度及速度随时间变化的关系，动力学则是研究产生运动的力。内燃机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括对气体力、惯性力等的分析。传统的内燃机工作机构运动学、动力学分析方法主要有图解法和解析法。(1)图解法形象直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度、所受力的大小及改变趋势通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算结果正误的判断和解的初值选择，缺点是精度不高。不经任何计算，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茵提出，但方法十分复杂。(2)解析法解析法是逐个对各构件列出平衡方程，通过各个构件间的联立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩。解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。(3)复数向量法复数向量法是以各个杆件作为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达，对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后，可以得到机构的运动特性，该法是工作机构运动分析的较好方法。通过对机构运动学、动力学的分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因，大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析 第一章绪论表达式，却难以计算出供工程设计使用的结果，不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来随着计算机技术的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程，从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。 1.3内燃机曲柄连杆机构的工作特点和设计难点内燃机曲柄连杆机构的设计原则是解决工作过程中惯性力的平衡及改进结构，以减少活塞对气缸壁的侧压力，并降低内燃机的振动，但工作环境的瞬变使得这些分析十分困难。在工作过程中，活塞顶部受力变化复杂，上下运动时活塞对气缸壁产生很大的侧压力，降低了内燃机的工作效率，活塞环亦容易损坏，连杆做复杂的平面运动，且质量较大，平面运动产生的惯性力也不容忽视，连杆长度的微小变化也对机构产生很大的影响川。飞轮端曲轴的振动模态对内燃机工作的稳定性和寿命有很大影响，要设计出合理的曲柄连杆机构，还要考虑内燃机布置方式和工作场合，约束因素较多，设计难度非常大。传统的方法是对结构进行简化计算并与样机试验相结合进行设计。这种方法得到的结果往往存在较大的误差，很难获得理想的结构参数，且劳动强度大，开发周期长，浪费人力物力。借助先进的计算机辅助设计手段，设计人员的劳动强度己有所降低，产品开发周期也有所缩短。但仍有一些难题无法解决，如机构连接处动摩擦力和零件变形等，有待进一步完善。1.4课题研究的内容本文运用理论分析和计算机数值仿结合的方法，对发动机曲柄连杆机构中的曲轴进行瞬态动力学分析仿真，通过运用多体动力学分析软件ADAMS中的ADAMS/View模块建立了合理的柴油机曲轴系多刚体动力学模型，完成一个工作周期内的仿真，得到曲轴在实际工作周期内的动态边界条件，继而运用有限元分析软件ANSYS对曲轴进行瞬态动力学分析，得出曲轴的固有动力学特性，计算了其在自由振动情况下的前二十阶模态，由此可以清楚地了解曲轴工作过程中振动引起的各部分应力、应变，迅速找到危险部位，为下一步对曲轴进行优化设计奠定基础。主要技术路线如下:(1)搭建曲轴轴系系统运动学模型和动力学模型，搭建用于有限元分析的曲轴模型。(2)在ADAMS/view环境中完成上述轴系模型的三维建模，完成发动机曲轴系的动力学建模。(3)在ANSYS环境下建立机构所用曲轴的三维实体模型，划分网格，完成曲轴固有动力学特性分析，计算其自由模态下的前二十阶模态。(4)在ANSYS中将曲轴以模态中性文件*.mnf的格式导出，再将此文件导入 ADAMS/v1ew，生成一根柔性曲轴，以替换原系统中的刚性曲轴，为下一步对曲轴的受迫振动分析做好准备。 (5)在ADAMS/View环境下，在新生成的柔性曲轴卜添加工质压力及系统惯性力，以3又西安理工大学硕士学位论文 模拟曲轴系真实工况，利用ADAMS/Vibrati。n模块进行曲轴受迫振动分析，找到曲轴振动给各部分造成的应力、应变。 (6)对ADAMS/View进行二次开发，编制出方便用户使用的对话窗口，实现人机界面，以使用户能够完成参数化建模及仿真。(7)完成对分析结果的总结和评判工作。第二章发动机曲轴系(曲柄连杆机构)的动力学分析2发动机曲轴系(曲柄连杆机构)的动力学分析2.1引言本章基于多刚体系统动力学相关理论，利用机械系统动力学分析软件ADAMS中view模块的建模功能，建立了某型号四缸发动机曲柄连杆机构的多体动力学模型。在考虑此型号发动机实际工况受力的情况下对其进行动力学仿真，得出各连杆轴颈处的受力情况，为曲轴圆角滚压及曲轴强度分析提供力的边界条件。曲轴是汽车发动机的主要零件之一，工作过程中承受冲击、扭转及很大的弯曲应力和扭转应力“为使曲轴具有很高的抗拉强度、刚度、耐磨性、耐疲劳性以及冲击韧性，必须对曲轴进行强化处理。曲轴圆角滚压对提高曲轴疲劳强度有显著性能，备受各生产厂家的青睐。实际工况下，作用于曲柄连杆机构的力有缸内气体压力、运动质量的惯性力、摩擦阻力和作用在发动机曲轴上的负载阻力。一般做受力分析时都把摩擦阻力忽略不计，因为它的数值较小，且变化规律很难掌握‘5，。而负载阻力和助动力处于平衡状态，无需另外计算。利用ADAMS对曲柄连杆机构进行动力学分析时，可以将所有作用于机构的力简化为缸内气体的压力、机构的往复惯性力和机构的旋转惯性力，而这些力都将对曲轴的连杆轴颈处产生力的作用。本章的目的即为确定连杆轴颈处在实际工况下的受力规律，为连杆轴颈处的圆角滚压加工提供力学分析的边界条件。为了模拟更加真实的工况，本章基于ADAMS/view环境进行建模。2.2曲柄连杆机构的建模.22.1虚拟样机技术及ADAMS软件随着计算机技术的日臻完善，近来在对机械系统进行分析中，出现了虚拟样机技术。虚拟样机技术(VirtualPrototypingTeChnology，又称虚拟模型技术)是一项新生的工程技术。它采用计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真、分析。虚拟样机技术在设计的初级阶段----一概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真实验不同的设计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样机。虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力等等‘卜’。5 西安理工大学硕士学位论文虚拟样机技术的应用贯穿在整个设计过程当中。它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机中的虚拟模型里，让想象力和创造力充分发挥。当虚拟模型用来代替实际模型验证设计时，开发周期缩短，设计质量和效率得到了提局。1997年7月4日，美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。但人们并不知道，如果不是采用了该项新技术，这个计划可能要失败。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用这项技术预测到由于制动火箭和火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时翻滚并最后6轮朝上。工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。福特汽车公司在一个新车型的开发中也采用了这项技术，其设计周期缩短了70天。全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了4千万美元，制造费用节省了10亿美元。由于设计制造周期的缩短，新车上市早，额外赢利达到其成本的数倍。世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒公司的工程师们在经过几天培训后，采用了这项技术进行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及分析，在一天时间内，他们对工作装置进行了上万个工位的运动及受力分析，很容易地实现了理想的设计r，’。虚拟样机技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学和动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。CAD/FEA等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的制约。一个明显的例子是它对于计算机硬件的依赖。这种依赖在处理复杂系统时尤其明显【8，。例如，火星探测器的动力学及控制系统的模拟是在惠普700工作站上进行的，CPU时间用了750h。另一个例子是在数值方法上的进步发展，都会对基于虚拟样机的仿真速度及精度有积极的影响。虚拟样机技术应当属于计算机辅助工程(CAE)的一个分支。隶属于CAE的其它分支有有限元技术等。虚拟样机技术区别于其它分支之外在于它是从系统的层面来分析系统，而与有限元有关的技术分支所进行的是部件的分析。正由于此，虚拟样机技术对设计方法和过程的影响要比有限元技术所带来的影响要大。虚拟样机技术不仅帮助企业缩短生产周期，降低成本和提高质量，而且改变了产品设计的过程顺序。虚拟样机技术已经广泛地应用在各个领域:汽车制造业、工程机械、航空航天业、国防工业及通用机械制造业。所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，天上的火箭到轮船的锚机。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了开支、时间，并提供了满意的设计方案。ADAMS(Aut。matieDynamiCAnalysiSofMeChaniCalSystem)软件，是由美国机械动力公司(MechaniCalDynamicSInc.)(现己经并入美国MSC公司)开发的优秀机械系统动态仿真软件，是目前世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件，在 第二章发动机曲轴系(曲柄连杆机构)的动力学分析全球占有率最高。ADAMS软件可以广泛应用于航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备、工业机械、工程机械等领域。国外的一些著名大学也已经开设了介绍ADAMS软件的课程，而将三维CAD软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。ADAMS一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。ADAMS与先进的CAD软件(UG，RPO/E)以及CAE软件(ANSYS)可以通过计算机图形交换格式文件相互交换以保持数据的一致性。ADAMS软件支持并行工程环境，节省大量的时间和经费。利用ADAMS软件建立参数化模型可以进行设计研究、试验设计和优化分析。为系统参数优化提供了一种高效开发工具‘，，。ADAMS软件的特点如下:.利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建立机械系统三维参数化模型。.分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析，包括刚体和柔性体分析。.具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。.具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提供多种“虚拟样机”方案。.具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。.具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。.自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，仿真结果显示为动画和曲线图形。.可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷。.支持同大多数CAD、FEA和控制设计软件包之间的双向通信。DAAMS软件包括核心模块ADAMS/View和ADAMS/Solver以及一些专业模块。DAAMS/View(界面模块)图形界面的交互式设计环境，包括建模和机构设计，分析等。ADAMS八1ew提供可视化的建模功能。ADAMS/Solver(求解器)提供静力学、运动学和动力学的求解计算。2.2.2曲柄连杆机构模型的建立过程对于较复杂机构的建模及动力分析，人们习惯使用三维造型软件(如PRO/E、UG等)进行建模，因为这些软件提供了强大的造型工具，然后再使用专用的接口程序将造型软件与虚拟样机软件(如ADAMS等)连接，将模型导入其中进行运动学及动力学分析。这样做对于建模来说相对比较容易，但后续导入虚拟样机软件进行分析时就有可能出现一些问题，例如模型信息丢失、模型规模偏大、后续仿真困难等‘’0，。为了避免这些问题，以更加真实地模拟曲柄连杆机构在实际工况下的工作过程，本论文利用ADAMS/View工具箱中 西安理工大学硕士学位论文所提供的建模工具对机构进行建模。模型所用曲轴为N485Q型，所建曲轴及曲柄连杆机构模型如下图所示: 图2一l布尔相加前的曲轴FuigerZ一IC拍司kshanBefo玲BolenOaPtionfoAdding 图2一2布尔相加后的曲轴FigureZ一ZC份nkshaftAferBoleatnOPtionofAding第二章发动机曲轴系(曲柄连杆机构)的动力学分析图2一3曲柄连杆机构iFgureZ一3CrankshaftLinkage图2一3即为在ADAMS/V1ew中所建立的四缸曲柄连杆机构，图中蓝色线条为机构中添加的约束。此机构共有10个旋转副和4个移动副。2.3连杆机构动力学分析2.3.1曲柄连杆机构运动学分析发动机工作是将热能转变为机械能的一个过程，是经过进气、压缩、做功和排气四个连续的过程来实现的。每一个工作行程都有很大交变载荷通过活塞、连杆组件作用在曲轴上，使其承受反复冲击的同时，这些交变载荷在曲轴的各个部位产生弯曲、扭转等复杂的交变应力‘”’。发动机的曲柄连杆机构简图如图2一4所示，其曲轴、活塞销、汽缸中心线位于同一平面。它在运动时，活塞做往复直线运动，曲柄0B做旋转运动，连杆AB做平面复合运动。当sina二0，即“二00时，活塞和曲柄销在上止点位置;当a=180时，活塞和曲柄销在下止点位置。 西安理工大学硕士学位论文图2一4曲柄连杆机构简图iFgure24TheSkethcofCrallkLink图中:L:连杆长度，即连杆大、小孔中心的距离;r:曲柄半径，即曲柄销中心与曲轴旋转中心的距离;a:曲轴转角，即曲轴偏离气缸中心线的角度;刀:连杆摆角，即连杆中心线在其摆动平面内偏离气缸中心线的角度;X:活塞位移，即活塞由上止点开始向下止点运动的距离。由图可见活塞位移如公式2.1所示:X=r+L一reosa一Leos刀(2.1)式中:记兄二r/L其中:L=150nu，r二47.snu兄=r/Z=O，32P为连杆摆角，它与a的关系为sin刀二兄sina因而活塞的位移公式可以表示成另外的形式，如公式2.2所示:x·rl(卜1/;)一eos。一(卜矛sin’。)’‘’从1(2.2)活塞的速度、加速度规律:活塞的速度v表示如公式2.3所示:v=dx/dt二(dx/daXd。/dt)=。(dx/d“)(2.3)巨p:v一r。卜ina+(、/2)sinZa(1一、，。、n’a)一，‘，活塞的加速度运动规律表示如公式2.4所示(向心加速度): 第二章发动机曲轴系(曲柄连杆机构)的动力学分析 简化为:a=r。’(cosa+兄sinZa)。=;。’仁osa+、卜05Za(1一矛sinZa)+(矛/4)sin’Za上1一，，sin’a)一，‘’(2.4)2.3.2曲柄连杆机构动力学分析实际工况下的曲柄连杆机构受力形式复杂，在用机械系统动力学分析软件进行仿真时可以将所有的力简化为缸内气体的压力、机构的往复惯性力和机构的旋转惯性力。以下将详细介绍这些力的求解及加载方法。首先介绍缸内工质压力的作用状况。由于气缸内气体在0o一7200转角范围内的变化非常复杂，受很多因素的影响，若用理式计算，则与实际相差甚远，一般情况下应以实验为最好，本分析中参考了某四缸柴油机的缸内气体压强数据。气体作用力计算公式如下所示【‘，，:入体=(凡一oP)·劝，/4eos刀式中:刀为连杆摆角，D为缸径，取D=6Imn。凡是缸内气体的绝对压强，凡是曲轴箱气体的绝对压强，对于四冲程内燃机，一般取oP二015aP.另外，a为曲柄摆角。a和刀满足关系式:sina/eos刀=l/r式中:l为连杆长度，;为曲柄半径，取l=巧Olln，:二74.Slln。在0o一7200转角范围内，a每隔10”对应有一个刀，相应也有一个爪体值，因此可以得到73组数据，缸内气体压强随角度“的变化如表2一1所示:表2一1缸内气体压强数据 几bleZ一1DataofGasPressuerniTheCylinder a(、氏(x一。，pa)a。(sPxlo’钾)“护)p“x10，)an“(。)可x一。，pa) 01.2 101.01900.8537081.25501.3 200.82000.938059.75601.2 300.82100.9539041.05701.2 40082201.040028.55801.2 500.82301.141019.859012 600.82401，342014.96001.2 700.825013011.46101.2 800.82601.9科08.66201.2 900.82702，34507.06301，2 1000.82802.84605701.2 1100名2903.44704名6501.2 1200.83004.3480426601.2 1300名3105.44903.86701.2 14008320745003.36801.2 巧00.833010.95102.86901.2西安理工大学硕士学位论文1600名34018.0520237001.21700.835030.45301.97101.21800.836052.55401.62701.2根据上表所列数据，利用Matlab编制计算程序，根据此组数据绘制曲柄连杆机构第一缸的示功图如图2一5所示，其中横坐标代表曲轴转角(deg)，纵坐标代表缸内工质压力(N):x104犷万丁万不下下丁不习……l……………___’‘sr一‘一洲”‘一’一{.一{一!一‘一“”{一‘一!“’‘’‘’‘!‘”门’}一‘一洲”‘一’{”一阵l’一‘一”’{一’一’一{一“““{‘’.‘一”1二l_____」口”5:{…一一““‘’!……‘一一.”””{…二巨卜卜{r二一一~一一~一甲-一”’一岁一…l二)“二’‘{lr.二{耳一，~.，一一…1…l二.门二..l.二..l…一一{一‘{……{…lll二l.二卜卜一’一一一{’‘’‘’‘{……{…一一{__{!一’入...‘”””!_二.…二..卜二二..…二.，…二..…二一洲..了’{.火火r…~一~~~~~~，{一{llll!1.一_“0‘阵布一---IcJo----Z了田…__一别】{{…”」”)””月田!一“g‘!〕!一广)日〕:1丁一7田‘一“压刃!刃图2一5第{一缸示功…图…{_iFg切reZ一5IndieatorPlansoftheFisrtCylinder此型号四缸内燃机点火顺序为l一3一4一2，在同一时刻1、2、3、4各缸分别完成进气、压缩、排气、做功等工作，假定在O时刻第一缸开始进气行程，则2、3、4各缸分别开始压缩行程、排气行程、做功行程。利用ADAMS/Processor模块，可以得到l、2、3、4各缸压力F(N)(纵坐标)随时间T(S)(横坐标)变化的样条曲线Spline_l、Spline_2、Spline_3、Spline_4(分别如图2一6A~图2一6D所示)A第一缸B第二缸AlstCylinderBZndCylinder 第二章发动机曲轴系(曲柄连杆机构)的动力学分析一一一一一一一一一一一二瓦二一一1.、丫人t‘吐、︸C第三缸D第四缸C3rdCylinderD4thCylinder图2一6实际工况下缸内气体作用力FiZg一Fo代einCylindersBasedonRealSttaion再利用ADAMS中自带的函数AKISPL，将各样条曲线定义为样条函数添加到各个汽缸的活塞表面，函数可表示为AKISPL(time，0，Spline_n，)0的形式，即可模拟实际工况下缸内气体的作用力。曲柄连杆机构中的惯性力包括两个方面:a.活塞往复运动所产生的惯性力;b.曲柄不平衡旋转质量所产生的离心惯性力和连杆运动所产生的惯性力‘’3，。曲柄连杆机构的往复惯性力是活塞组和连杆往复质量所产生的往复惯性力之和。往复惯性力凡的方向始终沿着汽缸中心线，与活塞加速度a方向相反，正向指向曲轴旋转中心。.，F=一jm‘“曲柄连杆机构的惯性力分析，特别是连杆惯性力的计算非常繁琐，在以往的理论设计和计算中往往加以简化，即用几个适当配置的集中质量来代替分布的质量，曲柄连杆机构复杂的惯性力系简化为曲轴的离心惯性力和活塞的往复惯性力。由于图2一3的曲柄连杆机构并未建立活塞组及连杆组的附属零件，曲轴又是一种特殊的偏心轴，故需对活塞组、连杆组及曲轴进行质量换算。质量换算的原则是保持系统的动力学等效性，曲柄连杆机构的所有运动零件可按运动性质不同分为三组:a.活塞组活塞组包括活塞、活塞环、活塞销及其附属零件。活塞组零件在运动过程中，每点的运动状态是一样的，所以可以认为其质量集中在活塞销中心，并用m’表示，即m=名mib.连杆组连杆组由连杆及附件(连杆轴瓦、连杆螺栓等)组成，它作复合平面运动。连杆组质量换算的原则是保持系统的动力学等效性，实际计算中为了简化起见通常用静力等效原则将连杆组件的质量换算为连杆大头和连杆小头质量。 西安理工大学硕士学位论文m。=ml+mZ式中:m，:连杆大头换算质量;mZ:连杆小头换算质量;ml·l。=mZ·l。式中:la:连杆大头到连杆质心的距离;几:连杆小头到连杆质心的距离ml=m。·l。/lmZ=m。·l。/lc.曲轴曲轴包括曲柄销、曲柄臂、主轴颈等，其绕曲轴轴线作旋转运动。一般将曲轴质量换算到曲柄销中心上，换算原则是离心惯性力相等，即换算质量的离心惯性力与实际不平衡质量的离心惯性力应该相等。曲柄销的换算质量m。=m。即为曲柄销的实际质量。曲柄臂换算质量砚=气尸/x式中:mb:一个曲柄臂的实际质量;mb:换算到曲柄销中心的一个曲柄臂质量;尸:曲柄臂的中心与曲轴旋转中心的距离。主轴颈的换算质量为零。因此，单曲柄的换算质量m、=m;+2城经过以上换算，曲柄连杆机构简化为无质量的连杆和集中在活塞销中心和曲柄销中心的两个集中质量，它们分别为:往复运动质量:m，=m+m一0.5407(kg)旋转运动质量:m;=m;+mZ=0.9829(kg)把曲柄连杆机构运动件的质量简化为两个集中质量mj和m;后，机构的惯性力简化为两个力:往复惯性力和旋转惯性力。其中，往复惯性力乓的方向始终沿着汽缸中心线，与活塞加速度a方向相反，正向指向曲轴旋转中心，乓=m，·a;旋转惯性力rP的方向始终向着曲柄半径，并且背离曲轴旋转中心，Pr二m;·:·必’。第二章发动机曲轴系(曲柄连杆机构)的动力学分析一、尹了一l|.!1图2一7曲柄连杆机构质量换算简图 FigureZ一7Themasseonvesrionsketehofc侧欣eouneetingliknemehhasm 2.3.3ADAMS用ostProoessor简介及曲柄连杆机构动力学仿真a.ADAMS/PostProeessor简介ADAMS/PostPr。。essor是ADAMS软件的后处理模块，绘制曲线和仿真动画的功能十分强大，利用ADAMS/PostProcessor，用户可以更清晰地观察其它ADAMS模块(ADAMS/Vi。，wADAMS/Car或ADAMS/Engine)的仿真结果，也可将所得到的结果转化为动画、表格或者H翎L等的形式，能够更确切地反映模型的特性、便于用户对仿真计算的结果进行观察和分析‘’‘’。DAAMS/PostPr。。essor在模型的整个设计周期中都发挥着重要的作用，其用途主要包括如下几个方面:1)(模型调试在ADAMS/PostProceSSor中，用户可选择最佳的观察视角来观察模型的运动，也可向前、向后播放动画，从而有助于对模型进行调试。也可从模型中分离出单独的柔性部件，以确定模型的变形。(2)试验验证如果需要验证模型的有效性，可输入测试数据并以坐标曲线图的形式表达出来，然后将其与ADAMS和统计分析。仿真结果绘于同一坐标曲线图中进行对比，并可以在曲线图上进行数学操作(3)设计方案改进在ADAMS/PostProcessor中，可在图表上比较两种以上的仿真结果，从中选择出合理的设计方案。另外，可通过鼠标操作，更新绘图结果。如果要加速仿真结果的可视化过程，可对模型进行对种变化。也可以进行干涉检验，并生成一份关于每帧动画中构件之间最短距离的报告，帮助改进设计。西安理工大学硕士学位论文(4)结果显示ADAMS/P。StProceSS0r可显示运用ADAMS进行仿真计算和分析研究的结果。为增强结果图形的可读性，可以改变坐标曲线图的表达方式，或者在图中增加标题和附注，或者以图标的形式来表达结果。为增加动画的逼真性，可将CAD几何模型输入到动画中，也可将动画制作成小电影的形式。最终可在曲线图的基础上得到与之同步的三维几何仿真动画。b.曲柄连杆机构动力学仿真ADAMS/PostProoeSS0r可单独运行，也可从ADAMS/View中直接启动。建立了发动机曲柄连杆机构的物理模型后，给模型添加约束，共有10个旋转副，4个移动副(如图2一3所示)。然后将上述三种力添加到机构上，即可进入ADAMS/PostProceSS0r模块，进行动力学仿真。从图2一3所示位置为起始位置，转速。=3200r/min，1、2、3、4各曲柄销出现最大受力的时间分别是t，、tZ、t，、t4，最大受力时曲柄转过的角度分别为a，、aZ、。，、a;，最大受力分别是月、凡、凡、凡。各曲柄销转动时间t，转过角度a及受力F三者的关系如表2一2所示:表2一2转动时间t，转过角度a及最大受力F三者的关系几bZ一hTerelationshiPbetweenrotioanTlme，otrioanAnglesandmaxunu们nFoeesr1一4缸最大受力时间点 1~4缸最大受力时曲轴旋转角度al=366.720l一4缸最大受力值t一=0.0191(s)tZ二0.0098(s)t3=0.0293(s)t4=0.000375(s)汽=19791.6855(N)凡=19786.68(N)凡二218.4048(N)凡=21435.5807(N)aZ二188.160a3=562.560a4=7.20由于知道了曲轴的转速，且为匀速转动，故由上表可知，t:出现在曲轴转动的第二圈，而tZ、t，、t4出现在曲轴旋转的第一圈。这为下一步对曲轴进行圆角滚压时，曲柄销处的受力分析提供了可靠的边界条件。1、2、3、4各曲柄销的受力情况如图2一8一图2一n所示(横坐标代表时间T(S)，纵坐标代表力F(N):第二章发动机曲轴系(曲柄连杆机构)的动力学分析丫S如阴:，m左司盯 。杀，f，洲歼以洛!阅肋M傲八娜RMS二.d氏的.1研!主翻月之门t夕幻6咬巧们冶招2，}皇田留田114MEA7200000!一euront}150000︵写ou5三让O妞e10000050的0“t0001002003石m。(sec)图2一8曲柄销1受力情况 FigureZ一8OFceonCrarnkPinl:Y。缸1甲嘴日翔，t口1匹咚甲.知l〕势钾笋‘M口.山甲日卜污.dP自自，刃眺l抽曰相翻，璐3粤笋到则l16卜EA41mJO卜rT20以刀Ol一c，司15田00︵釜OU自三LO吕的加O，5的00。t0001ODZ003石me(sec》图2一9 FigureZ一9曲柄销2受力情况ForceonCrankPinZ丫写肠峨1旧创E月.侧万福王压别口5、M.曲甲RMS:.d氏的t1mn怠 刀日翔和月.刀日训砚阅.月毖润臼】2夕犯，岛月J以NT17MEA425的00}一eurrent!2〕洲〕00︵匡艺S吕。妞e15加0000的0511)OD“t00010020习3下me(see)图2一01 FigueZ一r10曲柄销3受力情况ForceonCr田永Pin3l7西安理工大学硕士学位论文L︶︵︸u。O趁Qo‘︺七.六Jn︸CO﹃0n︸002节me(sec)图2一n曲柄销4受力情况FigZ一11FocreonC片LnkPin42.4小结本章利用机械系统动力学分析软件ADAMS对一台4缸四冲程内燃机曲柄连杆机构进行了动力学仿真分析，建立了包括活塞、活塞销、连杆及曲轴的多体动力学系统仿真模型，求出了各曲柄销在一个工作循环中的受力规律，为下一步对曲轴进行圆角滚压时，曲柄销处的受力分析提供了可靠的边界条件。由此可见，利用多体动力学分析的曲轴系统动力学仿真计算对于曲轴圆角滚压及内燃机设计均具有十分重要的意义。 第三章曲轴的固有动力学特性分析3曲轴的固有动力学特性分析.31引言模态分析技术从20世纪60年代后期发展至今已经有40多年的历史了。模态分析的经典性定义是:将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解祸，成为一组以模态坐标及模态参数描述的方程，以便求出系统的模态参数。模态分析主要是研究结构或机器部件的振动特性，得到结构的固有频率和振型【’‘，。振动现象是机械结构经常需要面对的问题之一，由于振动会造成结构的共振或疲劳，从而破坏结构，所以必须了解结构的固有频率和振型，避免在实际工况中因共振因素造成结构的损坏，对复杂结构进行精确的模态分析将评价现有结构的动态特性、诊断及预报结构系统的故障、新产品的动态性能的预估及优化设计提供科学的依据。模态是振动系统的一种固有振动特性，一般包含频率、振型、阻尼等。传统模态理论的基本思想，近年来得到进一步发展和完善，并被引伸到非线性结构振动分析、应力应变振动分析等领域中，发展迅速。非线性模态的概念，最早由R。S。bnerg等(1960、1965)引入，研究离散、无阻尼、保守非线性系统的自由振动。非线性模态的研究始于50年代末，并且从一开始即与工程应用的需要密切相关.当前线性模态理论已经成熟，并且在工程应用中取得了重大成果.然而，线性理论忽略了实际系统固有的非线性，有时会导致定性的理论错误，特别是在共振情形下，出现了除线性模态以外的模态【’6’。正是在这种情况下，力学工作者开始了非线性模态的研究。模态分析的理论和应用是结构动力学的一个重要的研究和发展方向，随着计算机技术的飞速发展，计算模态分析和试验模态分析相结合，已经成为目前国际上流行的解决现代复杂结构动态设计、分析和优化的一种重要手段。近年来，国内外已成功地将其应用于航空、航天、机械、建筑、飞机制造、汽车制造等工业部门的各种工程结构的研发之中。曲轴在工作过程中，受到周期性载荷力的作用，有可能在发动机工作转速范围内发生强烈的共振，动应力急剧增大，致使曲轴过早的出现弯曲疲劳和扭转疲劳破坏，在曲轴的内部产生疲劳裂纹。疲劳裂纹的存在对于发动机的正常工作是一个极大的隐患【‘，’。随着大功率柴油机向高速化、紧凑化方向的发展，曲轴的载荷和工作条件要求也更加苛刻，普通的静力设计和经验设计已不能满足要求，进行动力设计和计算机模拟就显得尤为重要。因而有必要对曲轴进行动态特性分析和动态响应分析。本章利用通用有限元分析软件ANSYS对发动机曲轴的自由模态进行有限元分析，为动态响应分析和结构动力修改提供可靠的动力学模型。西安理工大学硕士学位论文3.2动力学特性分析的有限元法3.2.1模态分析理论模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析;如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析‘”，。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。3..22动力学分析的有限元法用有限元法进行结构的动态特性分析，是一种比较成熟的方法。近20年来得到了迅猛的发展并涌现出了一些商用程序系统，如ADINA、ANSYS、NASTRAN、SUPERSAP、IDEAS等。它们己被卓有成效地应用于航空、船舶、汽车、机床等许多工程结构的动态设计‘”，。对于具有连续质量的结构用有限元法进行模态分析时，先将该结构离散为有限个单元组成的模型，求出单元刚度矩阵【]K和单元质量矩阵【]M，按照节点自由度序号对号，对各单元的刚度矩阵和质量矩阵进行组集，得到总刚度矩阵{K}和总质量矩阵{M}.对于线性动力系统的小阻尼结构，可以采用复合阻尼〔C〕，得出结构的振动微分方程:扮卜护[t卫(3一l)式中，幼为节点位移向量;伊日为整体载荷向量。由于结鸳频率的影则结构的振动微分方程。寥可以简辈{响化瓢很小，为无阻墙因此尾尼自由振动方程:-(，’M[]+[K枷卜。(3一2)式中，W为自由振动固有频率，则有特征方程:展开此行列式，可得到一一个砰关，M[于+[固有K习频一率0(3一3)的n次多项式，多项式的根(特征值)即为模型的固有频率.将特征值代入式(3一2)，就可求出特征向量，从而获得给定频率下的振型。3.2.3曲轴模态计算要求曲轴是异形长轴类零件，具有轴线不连续、长径比大、结构复杂等特点。从总体上看，曲轴不是对称或反对称体，对曲轴进行有限元模态分析时取整数阶模态为研究对象。根据曲轴的结构形状特点，考虑曲轴的实际使用条件，以有限元计算的数据准备工作20第三章曲轴的固有动力学特性分析量、求解时间及精度等为基本尺寸，曲轴模态计算时要求‘1:02·曲轴结构形状复杂，建模时应以不影响其结构动特性为原则;·有限元模型网格要有足够的密度，以保证计算结果的精度，真实地反映曲轴的模态特性，本章所分析曲轴采用自由网格划分;·对曲轴进行自由模态分析，求解其前20阶模态，并进行斯特姆序列检验。 3.2.4ANSYS软件简介NSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，A可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、汽车交通、国防工业、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域。该软件可在大多数计算机及操作系统运行，从PC机到工作站直至巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容;该软件基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，大大方便了用户操作‘川。ANsys软件能与大多数CAD软件实现数据共享和交换，它是现代产品设计中高级的CAD/CAE软件之一。NSAYS的模态分析过程包括4个步骤:建立模型、加载及求解、扩展模态和后处理。NSAYS提供了6种模态提取方法:a.子空间迭代法(Subspa。e)。用于求解特征值对称的大矩阵问题。 b.分块法(BlockLancz。S)。也可用于以上的问题求解，收敛速度更快。c.PowerDynamiC法。用于非常大的模型(超过100000的前几阶模态以了解模型特征的问题。个自由度)，主要是用在求解结构d.缩减法(Redu。ed)。采用缩减的系统矩阵来求解，较子空间迭代法速度快，但准确性要差一些。使用缩减法时，必须仔细选择主自由度，主自由度选择的不当可能导致不正确的质量分布和不正确的特征值。e.非对称矩阵法(Unsylneultric)。用于求解模型生成的刚度矩阵、质量矩阵存在不对称的问题。f.阻尼法。有些问题阻尼不能忽略，阻尼法允许在结构中包含阻尼因素。 本文利用ANSYS软件进行模态分析时采用的是BloekLanezoS法。BlockLanezoS法是ANSYS默认的求解方法，它采用LanczoS算法，是用一组向量来实现递归的。BlockLanczoS法适用于大型对称矩阵特征值求解问题，最适合由壳或壳与实体组成的模型，该 方法精确度和Subspace法一样，收敛速度更快，但要求比SubspaCe法内存多大概50%。BloekLanCzos法采用稀疏矩阵方程求解器。西安理工大学硕士学位论文三维建模设置材料属性及划分网格添加约束设置模态分析参数进行模态分析修改奋二口士闭日卜1有夕乙才、口完成并显示结果图3一1ANSYS模态分析流程Figure3一1TheAnalysisFlowofModelState3.3N485Q曲轴自由模态分析3.3.1N485Q曲轴有限元模型的建立对曲轴进行建模、网格划分。本例采用自由网格划分，整根曲轴共有45291个节点， 第三章曲轴的固有动力学特性分析169013个4节点4面体SOLID185单元。如图3一2所示: 图3一2N485Q曲轴三维有限元模型Figure3一2下肚ee一imensionalFiniteElementModelofCrankshaftN485Q3.3.2计算结果与分析机械结构特征值问题的求解方法大致可以分为两类:一类基于矢量迭代法，包括逐阶 矢量正迭代法(幂法)、逆迭代法(反幂法)、redueedhouseholdermethod(降阶法)、subspaeemethod(子空间迭代法)、unsymmetriealmethod(非对称法)、dampedmethod(阻尼法)和bloeklanezosmethod(区块zanezos法)。另一类基于矩阵变换技术，包括雅克比法和吉文斯一豪斯霍尔德法等【2‘’。 本文采用BLocKLANCZOS方法来完成，得到了曲轴在自由状态下的前20阶模态固有频率及相应的振型。在分析过程中，假定系统模型是线性的而且未考虑结构阻尼，即在不增加单元数目的情况下，通过提高单元形状函数及位移函数的阶次来提高计算精度。计算中，设定计算20阶模态，其中包括3个平动自由度和3个转动自由度的前6阶刚体模态。从7阶以后是非线性模态，其固有频率和振型如表3一1所示。由于曲轴动特性复杂，不同固有频率下的振型是不同的，尤其是高频模态的振型相当复杂，描述起来比较困难。因而为了便于描述，对曲轴各部位进行编号:编号规则是:靠近自由端最近的连杆轴颈为l，依次为2，3，4。西安理工大学硕士学位论文阶数频率zH振型l0203040.98468E一0350.18588E一0260.31525E一027291.022Y轴为中心的1阶弯曲振动8387.755Z轴为中心的弯曲振动9693.399Y轴为中心的2阶弯曲振动l0737.177曲轴沿着X轴向两端的伸缩振动1l829.599在YOZ面内的蝶形扭转振动121047.66沿着X方向的往复振动l31096.88曲轴在XOZ面内的扭摆振动l412.77曲轴在Yoz面内的扭摆振动151586.44连杆1、4以大头轴心为轴向，沿着X向往复弯曲振振动161934.88曲轴在XOY面内的扭曲振动172039.77连杆2、3以其大头轴心为轴向，沿着X向的往复振动l82879.88连杆1、4以其大头轴心为轴向，沿着X向的往复振动193009.66在XOY面内的扭曲振动203357.55曲轴以主轴颈3为中心，沿轴向两边做扭转振动表3一1曲轴模态的固有频率及振型Tab3一1NaturaIFrequeneyandModeofVibartionrofC扣nksha几Mode由上表可看出，(l)曲轴整体弯曲振动，其频率范围在291.02一693.39Hz之间，对应于表3一l中的第7、8、9阶模态。在这类模态下，曲轴作为一个整体分别以X、Y、Z轴弯曲振动。(2)频率范围在737.17~12.7Hz，是轴向的扭转和伸缩振动，如表3一1中的第10到14阶模态。(3)连杆轴颈1、2、3、4分别沿着X向的往复振动和以不同处为中心的多点扭曲振动，如表3一1中的第巧阶到第20阶模态，频率范围是1586.4一3357.SHz。由于曲轴的不对称性，使得不同连杆位置的模态也不相同。下面图3列出了曲轴非刚体非线性7阶、9阶、13阶、18阶和20阶振动的振型情况。 第三章曲轴的固有动力学特性分析 。~~八NNDI含下乙占〔口吐.了目T七p.i日叮1门八川乃七亡场孟1200丹1，0侣份上0，含，10孟已】日口.01.，之2 甲哄命图3一3a7阶振型 Figure3一3a7thModeofVibration图3一3b9阶振型Figure3一3bgth勺I，夕L自心口团口盯日们，.1含七臼.功ModeofVibration:~~，八N八川七七亡l，之66.址从1.r，七口吃二 娜自户图3一c3 Figure3一3e13th3阶振型lModeofVibration口峨翻p‘内C七旧丁.，，T艺，.1，廿..定.图3一3d18阶振型Fignre3一3d18thModeofVibration八月D皿仁l，ro二J月1，0，}份上0.勺习各，皿日留一02甲，Or Figu图3一3e20阶振型re3一3e20thModeofVibration图3一3振型图 Fxgure3一3MaPsofDlfefrentModesofVlbration2西安理工大学硕士学位论文3.4小结大型ANSYS有限元分析软件是成熟的工程分析软件，目前在国际上应用广泛。本文运用ANSYS建立了N485Q曲轴的三维有限元模型，对曲轴进行了动力学模态分析，求出了曲轴的前20阶固有频率，方法简便，计算快捷，得到的振型形象直观。由于在实际工况下，曲轴极容易在低频时产生共振，造成零件的损坏，故本文只计算了前20阶模态，这对分析曲轴工作时的共振及受力具有实际意义。第四章曲轴系受迫振动分析4曲轴系受迫振动分析4.1引言曲轴系统作为发动机上主要的运动部件，它的性能优劣直接关系到发动机乃至整车的性能、可靠性和寿命。曲轴系的振动是引发内燃机振动的主要因素。曲轴上作用有大小、方向周期性变化的切向和法向作用力，故曲轴会产生扭转振动【川。由于曲轴较长，扭转刚度较小，且曲轴系的转动惯量较大，故曲轴扭转振动频率较低，在发动机工作转速范围内容易产生共振，从而引起较大噪声、加剧其它零件的磨损，甚至导致曲轴折断。曲轴的振动本质上是三维形式的振动，不仅扭转振动是人们研究的主要内容之一，弯曲振动、纵向振动也成为研究的重要内容‘1。因此开展轴系振动的机理与控制方法的研究既有42较高的学术价值，又有明确的工程应用意义。4.2曲轴振动研究的内容及方法.2.1曲轴扭转振动的研究4早期的曲轴振动研究主要采用离散化方法，并将曲轴振动作为纯扭转振动处理。1916年德国工程师盖格尔(Geiger) 发明了机械式盖格尔扭振测量仪。1921年德国学者霍尔兹(Holzer)首次提出用一种表格法(即霍尔兹法)来分析离散化曲轴无阻尼状态下扭转振动的固有频率和振型，并可应用于强迫振动。后来许多学者如Timoshenko、Tuplin等相继运用偏微分方程和波动方程在霍尔兹表格法基础上进一步发展了扭转振动分析方法，将曲轴简化为质量圆盘系统，并采用等效当量阻尼，因而更接近实际。在20世纪60年代，国外学者大量采用点传递矩阵和场传递矩阵来研究曲轴这类具有链状结构物体的振动，通常称为传递矩阵法或Myklestad一Prohol法。20世纪70年代，Doughty等采用了扩展的传递矩阵来分析有阻尼的曲轴振动，并用Newton一RaphS0n迭代法求解复数固有频率。在传递矩阵计算时，当轴系的支撑过多、频率较高时由于矩阵接近病态而可能发生数值不稳定的现象，可采用Ricati传递矩阵以有效地改善数值的稳定性，但是Riccati法也可能因为中间截面的选择不当而出现奇点和奇异截面的问题，这时可采用第二类RICcati传递矩阵。20世纪80年代初期，日本学者提出了消阻法以及动态刚度矩阵法来分析离散或连续体曲轴扭转振动。为了快速而准确地预测曲轴在周期运动过程中的扭转应力，J.Peter等应用了模态分析技术。20件(NASTRAN、ANSYS)世纪80年代后期，随着计算机技术的迅速发展，各种有限元软的相继诞生和日趋完善，用有限元方法分析曲轴的强度和刚度以及应力状况的工作增多，然而模型的准确性、计算精度的可比性、计算成本等都还没有得到有效的解决，因此传统的动力学分析方法仍然广泛应用‘’5，。曲轴扭转振动分析的准确性和精度的关键在于模型的建立。由于曲轴结构复杂，因此任何分析首先必须对曲轴进行简化。模型的建立主要基于两方面:其一是基于离散模型或27西安理工大学硕士学位论文是连续体模型，其二是否包含阻尼以及阻尼的处理【162。当要求更高的计算精度时，应当根据弹性体连续梁方法或瑞立法来当量化曲轴。曲轴的阻尼比较复杂，主要包括减震器的粘性阻尼和曲轴的结构阻尼，以及汽缸的摩擦阻尼‘27，。为了分析方便，可以根据等效功的原则或试验方法计算出单位汽缸的阻尼，然后作为线性粘弹阻尼施加在曲轴上。实际上曲轴的阻尼和支撑刚度是非线性的，目前也有许多学者应用非线性支撑来模拟主轴承座以预测曲轴的振动和应力分布。以前的曲轴扭转振动研究中，主要目的是为了计算曲轴的最大扭转位移，预测出最大扭转应力以满足可靠性的要求。近些年由于低噪声的要求，除满足内燃机运转的可靠性外，还要求尽可能低的噪声行为。因此，研究曲轴的扭转振动和噪声辐射关系的内容也引起人们的重视。.42.2曲轴弯曲振动的研究曲轴扭转振动的研究在20世纪40年代己经比较成熟了，一般的曲轴振动都作为扭转振动处理。但是在第二次世界大战后，一些商船经常发生螺旋桨锥形大端龟裂折断现象，甚至出现螺旋桨落入海中的事故。1950年，希腊学者E.Panagopulos首先指出这是由于船尾不均匀伴流场中运转的螺旋桨作用有按叶频周期变化的流体力，使得螺旋桨轴系产生回旋共振所致。随后，英国学者JasPer在不同条件下也得出了相同的结论‘182。由此人们开始对大型船舶动力装置轴系的弯曲振动(亦称回旋振动、横向振动)进行研究。根据E.Panagopulos和Jasper提出的螺旋桨回旋振动固有频率计算公式，在海洋商船轴系设计中使得回旋振动共振转速远在运转范围之外，基本上可以消除因回旋共振而引起的弯曲断轴事故‘川。然而随着船舶柴油机的功率逐渐增大，螺旋桨激振力上升，另一方面在一些大型或超大型的油轮和散装轮上为了获得较高的推进效率而采用多轴推进系统，使得船尾的支撑刚度相对降低。这样必然使回旋振动应力达到不能忽略的地步。回旋振动的激振力主要来自下面几个方面:旋转质量的不平衡离心力一不平衡离心力具有与转速相同的角速度和旋转方向，当一次正回转固有频率和转速相等时将出现一次共振，后果相当严重;作用在螺旋桨上的流体激振力，当出现叶片次数倍频与轴系固有频率相等时发生共振;偏心质量引起的作用力‘03，。回旋振动的研究在汽轮机组及航空航天机械上也受到相当的重视。由于船舶推进轴系、汽轮机组轴系、内燃机轴系都具有共同的特点:轴系的激励频率随着工作机械本身转速的变化而变化;质量不平衡或不对称性对系统的振动特性会产生很大的影响;该类系统由于通常都需要轴承来支撑，因此在模型的建立上大都采用转子轴承系统;轴承支撑系统的刚度、阻尼的不均匀性和强烈的非线性使得对系统的准确性分析难度增加。因此它们的研究方法是类似的。船舶轴系回转振动研究的主要手段是Myklestad一Prohl传递矩阵法，后来也使用了Riccati矩阵法;主要研究目标是预测轴系的临界转速和应力状况，避免内燃机转速与螺旋桨的回转弯曲振动发生共振而导致螺旋桨断裂。由于螺旋桨尾端伸出很第四章曲轴系受迫振动分析长，水附着力很大，质量庞大，因此螺旋桨的弯曲振动也成为船舶动力装置上的主要研究对象。在模型建立上一般采用离散化模型，基于连续体的分布模型应用很少，也有些作者采用有限元方法来分析‘”’。我国从20世纪80年代初期开始对船舶推进轴系的横向振动进行研究，由于一些不确定或难于精确确定因素的影响，回旋振动仍然处于研究阶段，至于振动相应的计算更是不成熟。在分析船舶曲轴系的弯曲振动时，较多地关心系统的振型或者是螺旋桨水附着力而引起的强迫振动，一般不考虑动力装置的气缸工作压力对轴系的影响。但是对车用内燃机曲轴，产生弯曲振动的主要激励源是气缸爆发压力，要求的预测目标是曲轴本身的应力分布和曲轴弯曲振动的响应。车用内燃机曲轴的弯曲振动与船舶轴系的回旋振动有根本的不同。日本学者若林克彦等对高速柴油机轴系采用传递矩阵和有限元相结合的方法分析其三维振动，同时也计算了弯曲振动的振型和应力分布，但没有研究临界转速的变化和振动位移响应及其谐次分析。至于单独研究车用内燃机曲轴弯曲振动方面的文章，目前还很少见到，由于曲轴的振动本身是三维振动，随着对曲轴三维振动研究的开展，弯曲振动也成为人们重点研究的对象。.42.3曲轴纵向振动的研究对内燃机曲轴的纵向振动研究始于20世纪30年代Dorey与Poole，他们指出了由扭转激发的纵向振动是倍频振动，但当时并未引起内燃机行业的重视。到20世纪60年代初期，由于船舶轴系的纵振加剧了船舱的振动，并引发一系列故障，纵振这才引起人们的注意，并开始对扭纵祸合的算法进行研究。国内20世纪80年代初期开始研究船舶轴系的纵振，取得了很大的进展。李渤仲等人详细分析了扭转一纵向祸合时同频与倍频祸合的发生机理与计算模型，并讨论了扭纵祸合的升级连振现象。而张洪田等人在运用RICCati传递矩阵法来计算扭转一纵向祸合振动、避免传递矩阵的奇异值问题方面也做了不少工作【3，’。在不考虑外部驱动反作用力和附件干扰力作用时，曲轴的纵向振动激励主要有两方面:1.气体压力和往复惯性力产生的径向简谐力使得曲柄舒张，即所谓的弯曲一纵向祸合振动;2.曲柄扭转时的径向分量一曲轴扭转时由于曲柄臂的弯曲变形和曲柄销与主轴颈中心线的轴向收缩，此即为扭转一纵向祸合振动。近年来，随着车用内燃机柴油化，而柴油机朝着高强化、高速化、大转矩化发展，使得气缸的爆发压力急剧上升，曲轴的扭转振动加剧。另外，为了提高柴油机的热效率，大量柴油机采用长行程设计，因此曲轴的扭转一纵向藕合振动有加剧的趋势。曲轴的纵向振动一般来讲有下述几方面的危害【川:1.激发内燃机表面及其安装附件的振动，从而会使整机的噪声声压级升高。随着人们对环保的追求，对车辆及其内燃机的噪声要求越来越严格。由于曲轴的振动是内燃机噪声影响因素中至关重要的一环，有必要降低曲轴各个方向的振动。2.曲轴的轴向窜动过大会使活塞连杆总成偏离气缸中心，活塞受力不均后会使活西安理工大学硕士学位论文塞侧击缸套，从而破坏活塞与缸套的润滑油膜，使气缸磨损加剧，同时也产生活塞敲缸声。3.曲轴的纵向振动会导致相关零件如主轴承螺栓等因较大的剪切力疲劳破坏而发生断裂，乃至曲轴本身的断裂也与纵振有关。4.纵向振动会使一些重要的传动机构如高压油泵齿轮和配齐正时齿轮的相位发生变化，从而改变了内燃机的运行工况，导致燃烧恶化，有害物排放增加，缸内压力震荡剧烈。长期以来，对车用内燃机人们更加关注曲轴的扭转振动。近年来为了降低内燃机的噪声，提高车辆的乘坐舒适性，也开始重视曲轴的弯曲和纵向振动，并采取了相应的减振措施。但对曲轴的纵振机理还研究不多。尽管船舶柴油机的弯曲一纵向祸合振动及扭转一纵向祸合振动的研究已经相当成熟，由于车用柴油机与船舶柴油机有其固有的不同与工况差别，因而有许多不尽相同的地方。有必要探索适合于车用柴油机的纵向振动的计算方法【3‘’。4.3ADAMSNibration简介ADAMS/Vibration振动分析模块是ADAMS针对ADAMS/Aireraft，ADAMS/Car，ADAMS/Engine，ADAMS/Rail，ADAMS/S。Iver，ADAMS/view等模块添加的频域分析功能插件。利用ADAMS/Vibration振动分析模块可以在ADAMS模型中进行受迫振动分析，并根据分析结果预测振动带来的后果‘35，。DAAMS/Vibration是进行频域分析的工具，可以用来检测ADAMS模型的受迫振动(例如:检测汽车虚拟样机在颠簸不平的道路工况下行驶时的动态响应)，所有输入输出都将在频域内以振动形式描述，该模块可作为ADAMS运动仿真模型从时域向频域转换的桥梁。通过运用ADAMS/Vibration可以实现各种子系统的装配，并进行线性振动分析，然后利用功能强大的后处理模块ADAMS/PostProceSSor进一步作出因果分析与设计目标设置分析。采用ADAMS/Vibration模块，可以在模型不同的测试点，进行受迫响应的频域分析。频域分析中可以包含液压、控制及用户系统等结果信息;能够快速准确的将ADAMS线性化模型转入Vibration模块中;能够为振动分析开辟输入、输出通道，能定义频域输入函数，产生用户定义的力频谱;能求解所关注的频带范围的系统模型，评价频响函数的幅值大小及相位特征;能够动画演示受迫响应及各模态响应;能把系统模型中有关受迫振动响应信息列表;为进一步分析能把ADAMS模型中的状态矩阵输出到毗TLAB及MATRIX中;运用设计研究、DOE及振动分析结果和参数化的振动输入数值优化系统综合性态【63’。运用ADAMS/V1bration能使工作变得快速简单，运用虚拟检测振动设备方便地替代实际振动研究中复杂的检测过程，从而避免了实际检测只能在设计的后期进行且费用高昂等弊病，缩短设计时间、降低设计成本。 第四章曲轴系受迫振动分析运用ADAMS八ibration模块进行分析的处理过程如图4一1所示:建模建立输入通道粉入通器道作动建立报器动作动建立翰出通道样条致据区亘口构建分析运行分析定义物入t，物出t巨、绷数率范围和分析步点一图4一1ADAMS/Vibration流程Figure4一1FlowofADAMSIVibration4.4曲轴系受迫振动分析.44.1刚柔祸合模型的建立近30年来，多柔体系统动力学的研究受到了极大的关注，研究内容主要包括了建模原理与方法，计算技术及其相应的软硬件开发方面。而多柔体系统动力学的建模的基本原理没有太大的变化，始终是以牛顿一欧拉的力学方法和拉格朗日的能量方法为基础的建模。而有限元技术的发展也为多柔体系统动力学提供了更有利的保障【川。多柔体系统不同于刚体系统，当多柔体系统中体的弹性不可忽略时，在多体系统的建模和分析当中必须将体的柔性变形考虑进来，考虑部件柔性的多体系统称为柔性多体系统。多柔体系统是一个时变，高度祸合、高度非线性的复杂系统。多柔体系统动力学是多学科交叉发展的产物，所研究的问题包括了宏观世界机械运动的主要问题，研究可变形体 西安理工大学硕士学位论文和刚体组成的系统在经历大范围空间运动时的动力学行为‘’8，。多柔体系统动力学不仅考虑将系统中子部件有些抽象为刚体，计算铰接处的弹性和阻尼，而且考虑部件的变形，它相比多刚体动力学更侧重于研究部件的变形与运动的相互祸合作用所产生的动力学效应。.离散化方法从建模的本质上来讲，采用离散化建立柔体模型，其理论方法与刚体建模是一致的。即在刚体动力学的基础上，将一刚体分成为若干段，每段之间采用力单元约束，就可得到离散化柔体模型。.模态集成法模态集成法的基本原理是将柔性体视为有限元模型的节点的集合，相对于局部坐标系有小的线性变形，而此局部坐标系做大的非线性整体平动和转动【93’。每个节点的线性局部运动近似为模态振型或模态振型向量的线性叠加。如果局部坐标系的位置用它在惯性参考系中的笛卡尔坐标x=(x，y，:)和反映方位的欧拉角笋=(尹，0，内来表示，模态坐标用q·{ql，qZ……q，}r(m为模态坐标数)来表示，则柔性体的广义坐标可选为:yZ尹0必夕，=l，m式中:x、y和:是局部坐标系相对于整体坐标系的空间位置;班、0和沪是局部坐标系相对于整体坐标系原点的欧拉角;qj是第m阶模态振幅的振型分量。柔性体第i个节点的空间位置矢量确定为:弓=X+A(s‘+碑叮)(4一l)式中:X表示为局部坐标系在惯性坐标中的空间位置矢量;A表示为局部坐标系相对于惯性坐标系原点的方向余弦矩阵;s‘表示为第i个节点未变形前在局部坐标系的空间位置矢量;鹤表示为第i个节点的移动自由度的模态矩阵子块;q表示为模态振幅向量。将式(4一)l对时间求导，得到第i个节点的速度为:式中:0，表示iv局=戈部坐一标A(系‘的+褥角速。)，0度+A鸽向量。一;〔BE一表示A(将‘+成欧拉。)B+A碘角对时」间求省一阶导数变(为4一角2，速度的转换矩阵;“。”表示向量对应的对称矩阵;产表示第i个节点的转动自由度的模态矩阵子块。节点i的角速度也可以用物体的刚体角速度与变形角速度之和来表示:件二山+尹奋。从上式可以得到动能和势能的表达式如下:了一合宾mf、了、一合‘愉而(4一3)第四章曲轴系受迫振动分析1:，___、:厂二万雪‘人(右)雪乙(4一4)将上式代入拉格朗日方程，就可得到Adams的柔性体方程式如下:Jyl亏十Jyl弓一丁l二二犷百19十人亏十J，十口任十l二丁丁!几=甘.，:.、、、若L1「蒯:1r、.。。.，.。、.「如1了，_o右」一Lo右」(4一5)在此柔性体方程式中，K和D分别为柔性体的模态刚度和阻尼矩阵，刚度和阻尼的变化只取决于变形。因此，刚体的平动和转动对变形能和能量损失没有影响。重力写成几。兄为约束方程的拉格朗日乘子，毋和Q为外部施加的载荷。对柔性体方程的求解，首先采用Netwon一RaPhson算法迭代将其展开。展开中产生的稀疏矩阵，采用吉尔Gear刚性积分方法可以实现高效求解。方程式(4一)5中的质量矩阵是变形和方向的复杂函数，但通过确定九个惯性常量，计算速度将会有很大提高。.集成有限元模型的多体理论分析在有限元分析中，分析对象划分的网格节点，是相对于对象本身的某一惯性坐标。为了描述方便，一般将惯性坐标固定连在物体的一端，并将坐标的一个轴线与物体的轴线重合“。’。将有限元分析的柔体加入多体系统中，需将柔体作相对的位移，即需将柔体分析的有限元方程乘以转换矩阵，从而实现由局部坐标向整个模型的惯性坐标的转换。采用拉格朗日方法建立的多体系统动力学，当代入其各项因子后，其简化形式如有限元方程:【M}{小【Cl{小【Kl{x}={fa}(4一6)而有限元模型的通用结构分析方程，一般是在有限元分析对象的局部坐标系下建立的。方程中的变量是相对于局部坐标的坐标元素。为了实现有限元分析方程与多体系统动力学分析方程的统一，可以通过多体理论中坐标转换矩阵B，实现有限元分析方程向多体系统动力学的转换。对于形如上式的有限元方程，其惯性坐标下的刚度、阻尼、质量矩阵，是由局部坐标系的响应矩阵乘以局部坐标向惯性坐标的转换矩阵得到的。即上述方程可以表示为:[机]{B，小[Brce〕{B了小[B人]{B了x}一{Fo}(4一7)式中:M二BmeBrm。为静止状态下的单元质量矩阵;c二BceB了ec为静止状态下的单元阻尼矩阵;K=B气了气为静止状态下的单元刚度矩阵。同时上述方程的等号右边也可以表示为位移、速度、加速度的函数如下:器{△小器‘△“，·臀‘匆，一‘凡，(4一8)当单元的位移不大时，采用惯性坐标描述方程应是简单可行的方法，因为转换矩阵不需要更新。但当单元位移较大时，转换矩阵必须更新，从而使得局部坐标向惯性坐标系转换的相关矩阵也必须更新，如此系统的求解效率就明显降低。在Adams软件中，所有的刚体与柔体都使用一个随刚体和柔体运动的浮动局部坐标(LocallFoatingReferencerFame)，当刚体或柔体运动时，对于系统求解的每一步，从局部坐标向J喂性坐标系转换的33 第四章曲轴系受迫振动分析然后利用ADAMS中的ADAMS/Fl。x模块将此文件调入ADAMS以生成模型中的柔性体，利用模态叠加法计算其在动力学仿真过程中的变形及连接节点上的受力情况。这样在机械系统的动力学模型中就可以考虑零部件的弹性特性，提高系统仿真的精度。反之，ADAMS进行动力学分析时可生成ANSYS软件使用的载荷文件(即.lod文件)，利用此文件可向ANSYS软件输出动力学仿真后的载荷谱和位移谱信息。ANSYS可直接调用此文件生成有限元分析中力的边界条件，以进行应力、应变以及疲劳寿命的评估分析和研究，这样可得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果，提高计算精度。n在ANS丫S中生成.mnf文件的方法ANSYS软件是当今最著名的有限元分析程序，其强大的分析功能已为全球工业界所广泛接受，成为拥有最大用户群的CAE软件供应商。其特点如:多场及多场祸合分析、多物理场优化、统一数据库及并行计算等等都代表着CAE软件的发展潮流。ADAMS软件是目前最具权威的机械系统动力学仿真软件，通过在计算机上创建虚拟样机来模拟复杂机械系统的整个运动过程，从而达到改进设计质量、节约成本、节省时间的目的。 通过ANSYS软件与ADAMS软件之间的双向接口，可以很方便的考虑柔性体部件对机械系统运动的影响，并得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果，提高分析精度。ADAMS/Flox软件允许在ADAMS模型中根据模态频率数据创建柔性体部件，柔性体部件可能会对机械系统的运动产生重大的影响，在ADAMS模型中考虑柔性体部件的影响会极大地提高仿真精度，而ANSYS程序则提供了一种方便的创建柔性体部件的方法‘1。34ANSYS程序在生成柔性体部件的有限元模型之后，利用adams.mac宏命令可以很方便地输出ADAMS软件所需要的模态中性文件jobname.Inf，il此文件包含了ADAMS中柔性体的所有信息，在ADAMS软件中直接读入此文件即可看到柔性体部件的模型。指定好柔性体与其它部件的连结方式，并给系统施加必要的外载后即可进行系统的动力学仿真。 11ANSYS与ADAMS接口的使用在机械系统中，柔性体将会对整个系统的运动产生重要影响，在进行运动学分析时如果不考虑柔性体的影响将会造成很大的误差，同样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布。因此如果要精确地模拟整个系统的运动，考虑柔性体部件对系统运动的影响，或者想基于精确的动力学仿真结果，对运动系统中的柔性体进行应力应变分析则需要用到ANSYS与ADAMS两个软件‘川。利用ANSYS与ADAMS接口，对运动系统中的柔性体部件进行应力应变分析的完整步骤如下:在ANSYS软件中建立柔性体部件的有限元模型并利用adams.maC宏文件生成ADAMS软件所需要的柔性体模态中性文件(jobname.mnf);在ADAMS软件中建立好刚性体的模型，读入模态中性文件，指定好部件之间的连结方式，施加必要的载荷进行系统动力学仿西安理工大学硕士学位论文真，在分析完成后输出ANSYS所需要的载荷文件(.lod文件)，此文件记录了运动过程中柔性体的运动状态和受到的载荷;在ANSYS程序中，将载荷文件中对应时刻的载荷施加到柔性体上对柔性体进行应力应变分析。VI在ANSYS软件中生成AOAMS软件使用的柔性体模态中性文件(.mnf文件)的过程进入ANSYS程序，建立柔性体的模型，并选择适当的单元类型来划分单元。在柔性体的转动中心(与刚性体的联接处)必须有节点存在，此节点在ADAMS中将作为外部节点使用，如果在联接处柔性体为空洞，则需在此处创建一节点，并使用刚性区域处理此节点(外部节点)。若与其连接处柔性体为空洞，则需在此处创建一节点，并使用刚性区域处理此 节点(外部节点)与其周围的节点‘1。选择外部节点，运行ANSYS程序的宏命令AD54AMs生成ADAMS程序所需要的模态中性文件(j。bnane.mnfl)。在此过程中需注意下面4点:(1)单位系统由于在ADAMS程序中可以处理不同的单位系统，所以MNF文件中必须包含ANSYS分析 所使用的单位信息，因此在运行宏命令ADAMS之前，必须使用命令/un1ts来指定在ANSYS分析中所使用的单位系统是51，CGS，BFT或BIN，如果您使用的不是上述四种单位系统，则可以使用下面的命令:/units，user，，，，(2)外部节点外部节点是ADAMS软件中的名词，在ANSYS程序中即指柔性体与刚性体连结位置处的节点，用于在ADAMS所进行的运动学分析中连结柔性体与刚性体。一般来讲，一个关节位置只使用一个节点作为外部节点，如果柔性体的连结部位处为空心，则需在连结处创建一个节点作为外部节点，外部节点与其周围的柔性体节点一般使用刚性区域来定义。运行AD胡S宏之前只选择将作为外部节点使用的节点，在运行宏命令ADAMS之前只选择作为外部节点的节点，因为ADAMS宏会将此时选择的节点作为外部节点处理，因而此选择步骤不可缺少。(3)运行宏ADAMS，一狱ODES生成AoAMs程序所需要的模态中性文件模态中性文件.mnf中包含了柔性体的质量，质心，转动惯量，频率，振型以及对载荷的参与因子等信息。下面是一个在ANSYS中生成模态中性文件的例子:生成模态中性文件的命令流: 八itle，ADAMSinterfaee一simpleeonneetingrodwitheonstraintequationse***e***e***ThisrePresentsatoeonneetingthetorodrePresentthePinrodusingthefollowingfeatures:SOLID45rePresenteonstraintequationsthePine***MASSZ1foreenter第四章曲轴系受迫振动分析/units，binPi二3.14159/prep7e***definerodwidth，lengthandpinradii(allinmeters)w=.015w二.015l=.225rl=.0125rZ=.025e***eonverttoinehesw=w*39.371=l*39.37rl=rl*39.37rZ=rZ*39.37mP，ex，，2.1eg*1.45e一4mP，nuxy，，.3mp，dens，，7800*1.94e一3/12**3/12!eonvertto“poundeemass’ineh一basedsluge***definePinset，2，21r，2，.001*.06852，.001*.06852，.001*.06852tyPe，2real，2n，2000n，2001，，，.225*39.37e，2000e，2001e，2001e***defineeonneetingrod一takeintoaeeountPinradiiet，l，45tyPe，lreal，1n，1，一w/2，一w/2，rln，2，w/2，一w/2，rlngen，2，2，1，2，l，，w37 西安理工大学硕士学位论文ngen，11，10，1，4，1，，，(l一rZ一rl)/10e，l，2，4，3，11，12，14，13egen，10，10，一1e***Pinsarerigid一useeonstraintequationseerig，2000，1*rePeat，4，，1eerig，2001，101*rePeat，4，，le***deleterotationalCE\\，s(togeteleanrun)eedel，4，6*rePeat，8，6，6finishfinishe***seleetPinnodesandeolPutedataforADAMSinterfaeensel，s，node，，2000，2001，ladams，6!endofsamPleinPuttest.44.3曲轴受迫振动分析(1)曲轴扭转振动产生的机理当柔性轴受到外界扭转力矩作用时，会产生弹性变形，这种变形的绝对值在一般情况下是不大的，但是当外界扭转力矩的频率与轴的共振频率相同时，轴的扭转变形幅度将大大超过正常值，这种现象就是轴的扭转共振“6，。由于曲轴系本身不仅具有惯性，而且还有弹性，由此确定了其固有的自由振动特性。曲轴本身是由连杆作用在各个曲拐上的周期变化的扭矩M驱动旋转的，它是由作用在活塞上的气体压力所产生的扭矩M:和由往复惯性力所产生的扭矩Mj复合而成的。虽然这两个扭矩都是周期变化量，但都不是按简谐规律变化的，因此可以用数学方法分解成一系列简谐量之和。当在某一转速下，施加在曲轴上的周期变化的某一阶简谐力矩与曲轴本身的扭转振动频率相同时，曲轴就会产生所谓的共振现象。(2)曲轴强迫扭转载荷的施加曲轴系存在阻尼，会使自由扭转振动逐渐衰减，直到振动停止。系统要维持持续振动，必须从外界输入能量，以弥补阻尼所消耗的能量。在干扰力矩的作用下的持续振动，称为强迫振动。干扰力矩对系统的作用取决于干扰力矩的大小和它随时间变化的规律。其中干扰力矩随时间变化的规律在许多情况下显得更为重要。作用在发动机曲轴系统上的干扰力 第四章曲轴系受迫振动分析矩，一般都是按周期性规律变化的，所以可以分解为傅立叶三角级数的形式，利用线性系统所满足的叠加原理，分别考虑其中各次谐波干扰力矩对传动系统所产生的作用，然后再叠加起来确定系统的振动规律。作用在发动机曲轴系上的周期性干扰力矩，大致来源于以下三个方面“，’:(1)发动机气缸内爆发压力产生的干扰力矩;(2)由于发动机曲柄连杆机构的质量及惯性力产生的干扰力矩;(3)由于接受功率所吸收的转矩不是定值而产生的干扰力矩。其中重力和第三种干扰力矩，相对来说是比较小的，故一般不予考虑。这样可以得到干扰力矩的计算公式:M一凡鱼鲤土鱼R+尸:兰i卫鱼上些R一M。+M:u~~，刀J~~一口uJ(4一9)‘U》尸‘。卜尸式中M。一燃气爆发压力产生的力矩Mj一往复惯性力产生的力矩a一以上止点为基准的曲柄转角，刀一连杆中心线与汽缸中心线之间的夹角，R一曲柄半径。在传统的曲轴扭转强迫振动分析中，利用傅立叶级数把周期性变化的燃气爆发压力产生的力矩M。展开为扭矩的平均值和一系列具有不同振幅、不同频率、不同初相位的简谐力矩之和，然后施加在曲轴上。发动机曲柄连杆机构的惯性力有离心惯性力和往复惯性力两种。由于离心惯性力通过曲轴的回转中心，对曲轴不产生扭转振动的激振力矩。而往复惯性力和燃气压力一样，它们作用在活塞及连杆上，并通过连杆传到连杆轴颈，对曲轴产生周期性变化的切向力矩，此力矩会激起曲轴系统的扭转振动。利用前面建立的完整曲轴系仿真分析模型，可以直接在该系统施加载荷来实现对曲轴系的强迫扭转振动分析，既能提高工作效率又有较高的分析精度。作用在曲轴系的外力主要是燃气爆发压力，同时还需要考虑活塞与气缸的摩擦。燃气爆发压力通过示功图得到，按照各缸的工作顺序1一3一4一2施加在活塞顶部。活塞与汽缸的摩擦力数据通过实验进行了验证。具体方法如下:凡=0.25·A，(姚;)f其中:A，活塞顶部面积，tan一1(100·v，)一兀2rc&曲轴转角，v;活塞的瞬时速度西安理工大学硕士学位论文~~J~丽面;，--一----------一…~一_…口_睿创膏 二夕}义_畜 一_{!卿一，一:，九烈.j互_________~_____._t__一___-一黑月‘奥月月聋里燕图4一3a一缸工质压力一一~-图4一3b二缸工质压力如!袄砚f~一--一-一-一~一-一----一t一一 ;又目一竺竺~一~然走图4一3c三缸工质压力图4一3d四缸工质压力Fourth Figl叮e4一3eThird认lorkingFluidPressureig叮e4一Fd3认七rkingFluidPressure图4一3发动机燃气爆发压力 Figure4一3TheoutbreakofT七eGasEngtnePressu了e连杆最终将力施将图4一3所示各缸爆发压力施加于各活塞顶部，活塞将力传给连杆，加给各连杆轴颈。从曲轴自由端向右，连杆轴颈依次编号1、2、3、4受力如图4一4所示:1~而】则各连杆轴颈处训月浏.丫:丫︸二掣·图4一4a第一连杆轴颈受力图ofthelstLinkageJoumalFigure4碑bForceMaP﹄︾:图4一4b第二连杆轴颈受力图oftheZndLinkageJoumal Figure44aForceMap第四章曲轴系受迫振动分析 〔l~，阅l曰{几丫加一图4一4。第三连杆轴颈受力图 Figure4礴eForceMapofteh3rdLinkageJounral图4一d4Figure44dFO第四连杆轴颈受力图ofthe4thLiknageJouamleeMarp图4一4连杆轴颈受力图 Figure44ForceMapoftheLinkageJoumal在ANSYS中生成曲轴模态中性文件，导入ADAMS/Vi。w中创建曲轴柔性体模型，将图2一3中建立的曲轴轴系多刚体动力学模型中的刚性曲轴替换为柔性曲轴。施加爆发压力和控制曲轴转速后，即生成曲轴轴系柔性多体动力学模型。对曲轴轴系柔性多体动力学模型进行发动机稳定工况下的动力学仿真，得到曲轴在一个工作周期内的仿真数据，具体数据如图4一5、4一6所示: 一仔共二篇11 图4一saX方向位移 Figure4一saXDier_【~~甲声州I{曰~曰_图4一sby方向位移tetionDisPlacemneFlgure4一sbYDier_etionDISPlaeemtne} {.」二图4一scZ方向位移Figure4一se2DireetionDisPlaeemnt…{图4一sd合位移Figure4一sdCloseDi印lacement图4一5圆角位移曲线Fi即re4一SDisPlaeementCurveoftheRound西安理工大学硕士学位论文 厂三三三刃卜‘漏;l 舀r己.，，乃犷“一L一”一’~一’-…:.出图4一6aX方向速度Figure4一a6‘~)…份一图4一6by方向速度Figure4一b6YDieretionSPeedXDieretionSpeedfLJ，.协一图4一6cZ方向速度图4一d6合速度Figure4一c2Di6eetrionSPeedFigure4一dCloseSPeed6 图4一6圆角速度曲线 Figure4一SPeedCuvreoftehoRndu图4一5是第二曲柄臂与第一连杆轴颈之间圆角处的变形曲线，分别是x、y、z方向及合位移的变化曲线，其变形主要是由于第一缸爆发压力所引起的。图4一6是此圆角处变形的速度曲线，分别是x、y、z方向及合速度的变化曲线。由图可得出以下结论:1.柔性曲轴在受迫振动的初始阶段会有较大的振幅波动，但这一时间持续很短，一般在曲轴旋转第一周的时间之内，之后曲轴振幅趋于稳定。2.柔性曲轴在受迫振动的初始阶段由于受到来自连杆的瞬时冲击力，速度变化很快，速度变化波动比较大。但持续时间也很短，一般是在曲轴旋转第一周的时间之内完成波动，之后速度变化趋于稳定。4.5本章小结利用有限元分析软件ANSYS得到曲轴的模态中性文件*.mnf，导入ADAMS/View以替换曲柄连杆多刚体机构中的刚性曲轴，构造柔性曲轴系，再模拟真实工况给机构添加工质压力，模拟真实工况下的受迫振动。通过对曲轴柔性体的动力学仿真分析，得出了柔性曲轴系在运动中的动态特性，其中包含了柔性体在运动中的各种信息，包括变形、速度、加速度等重要点的相关信息。第五章基于ADAMS/view的人机界面二次开发5基于AOAMS/V1ew的人机界面二次开发5.，引言ADAMS具有很强的二次开发功能，包括ADAMS/view界面的用户化设计，利用cmd语言实现自动建模和仿真控制，通过编制用户子程序满足用户的某些特定需求，甚至可以拓展ADAMS的功能。ADAMS/View的界面对象都是以层次结构存储在模型数据库中，类似于零件模型的层次结构“8】。所有定制的界面对象都存储在名为GUI的数据库中，利用该数据库可以很方便地管理所有的标准界面对象，如图5一1所示:}oulLibr。}WindowDialogBoxPoP一uPmenuMenubraButonSt朗kMenULabelFielddPushbutonoTgelbutonS叩eratorSliderOPtionmenuRediobox几bsDatatables图5一1界面对象的层次结构Figures一1Hiberarehyofobjeet一OrienetdInterfcae最上层的界面对象是窗口和对话框。如果主要建模窗口起名为main的话，其数据库文件全名为.gui.main。尽管窗口和对话框看起来很相似，但它们却是很不相同的。窗口通常是在用户工作的时候在屏幕上停留一段时间，而对话框通常是在用户输入数据或是进行访问控制时才’会出现‘川。窗口有工具栏和菜单栏，窗口和对话框也包含其它的界面对象如按钮，标签等等。大多数用户化操作涉及到创建对话框或者修改标准对话框。但若不用创建一个完整的 西安理工大学硕士学位论文用户化界面时，则通常只用修改菜单条和工具栏‘，’。在大多数情况下，用户定制界面是指制作用户自己的菜单和对话框。通常可使用菜单编辑器和对话框编辑器来定制界面，通过它们可以很快地访问并改变大多数界面对象和功育巨。.52定制用户界面5.2.1定制菜单选择Tools}Menu}Modify命令可以打开菜单编辑器窗口。菜单编辑器窗口如图5一2所示:~二‘:监.日月.黑‘’浮二’欺七黑黑.\"’:器。二丫图5一2菜单编辑器窗口Figures一2iWndowofMenuBuilder在菜单编辑器窗口中显示的是ADAMS菜单文件。菜单文件是按照一定的语法书写的解释性程序文件，在默认情况下，菜单编辑器窗口里显示的是描述ADAMS标准菜单的菜单文件，通过按照一定的语法规则修改该菜单文件，就可以得到用户化的菜单‘5，’。在菜单编辑器窗口中对菜单文件进行用户化修改后，选择Menubar{ExportText命令即可将用户化的菜单命令保存到用户二次开发文件目录中‘5，’。如果要重新调入菜单，使用菜单编辑器的工mportText命令打开相应的菜单文件，然后单击Apply按钮;或者直接选择主菜单中的Too1S}Menu.Read命令来实现。如前所述，菜单文件实际上是用解释性语言编制的程序段，下面介绍该解释性语言的编程语法。44 第五章基于AD枷S/View的人机界面二次开发菜单对象有4种类型:菜单、按钮或图标按钮、开关按钮和分割线，分别用关键词MENUn、BUTTONn、TOGGLEn和sEPARATORn定义【5，’。各菜单对象的参数含义如下:(l)n是从1到10之间的整数，它表示对象在菜单中出现的级别。例如，MENUI出现在菜单栏，BUTTONZ出现在MENUI的之中。MENU菜单后面的n是必需的，而对于其它的对象则为可选项。如果忽略级别，ADAMS/View将默认该对象属于最后一个MENU。(2)Lable是出现在菜单中的文本。对于图标按钮，可以指定图标文件的名称，或者其它图形格式文件。在windows中图标名字为BMP格式的文件名。创建各种菜单对象的语法结构如下。(l)创建菜单可以创建多级的菜单，第一级菜单为MENUI，出现在菜单栏上，低一级的菜单如MENUZ和MENu3出现在层叠的子菜单中。语法:MENUnTITLENAME=NanleHELP=HelP参数:n为整数值，表明该菜单在菜单条中出现的层数。n=1时菜单出现在菜单栏上，n)2时菜单出现在子菜单中。TITLE为字符串，出现在菜单栏上，可以在标题前加一个“&”字符用做热键。NAME为模型数据库中对象的名字。HELP为出现在状态栏中的文字。(2)创建按钮每个按钮对应一个菜单命令，可以在菜单或是子菜单上放置按钮。语法:BUTTONnLABLEACCELERATORNAME=nameHELP=helPCMD=eomlnand参数:n为整数值，表明按钮出现的层数。n=2时按钮出现在下拉菜单上，n)3时按钮出现在子菜单上。LABLE为按钮名，出现在下拉菜单或子菜单上。ACCELERATOR为键或键组合用来快速执行菜单命令。 西安理工大学硕士学位论文NAME为模型数据库中菜单对象的名字。HELP为出现在状态栏上的文字。CMD为单击按钮时所执行的命令，当有多行命令时，每一行前面都要加CMD。(3)创建分隔符(SEPERATOR)在下拉菜单和子菜单中的各项目之间添加分割线。语法SEPERATORn参数:n为整数值，表明分隔符出现的层数，n=2时分隔符出现在下拉菜单中，n=3时分隔符出现在子菜单中。(4)创建开关按钮(TOGGLE)用于在两种状态之间设置切换开关，开关按钮可以在下拉菜单或是在子菜单上。语法:TOGGLEnTITLENAME=nameHELP二he1PSTATE=stateCMD=eonuand其参数含义同以上其它对象。下面是一个利用菜单编辑器制定用户化菜单的例子，该例在ADAMS/view标准菜单的Tools菜单项和Help菜单项之间定制了用户自己的菜单项CrankLinkMeehanism(曲柄连杆机构)，以方便对曲柄连杆机构进行建模及动力学分析，实现人机界面。通过展开该菜单项显示了用户菜单各层次之间的关系，如图5一3所示:图5一3用户菜单CrankLinkMeehanism的层次结构Figures一3HiberarchyofUsermenu 第五章基于ADAMS/View的人机界面二次开发下面是本例的程序清单:……MENUI&Tools……MENUI&CrankLinkMeehanismNAME=erank1inkmeehanismHELP二AMenuListMENUZ&ModelCreate/ModifyBUTTON3CrankshaftCreateNAME二CrankshaftCreateCMD=1nterfaeedialog_boxdisPlaydialog_box=.gui.dbox_1BUTTON3RodCreateNAME二RodCreateCMD=1nterfaeedialog_boxdisPlaydialog_box=.gui.dbox_2BUTTON3PistonCreateNAME=PistonereateCMD=Interfaeedialog-boxdisPlaydialog-box二.gui.dboX-3BUTTON3PinCreateNAME=PinereateCMD二1nterfaeedialog_boxdisPlaydialog_box=.gui.dbox_4BUTTONZ&SimulationNAME=SimulationHELP=TestofSimulationCMD=1nterfaeedialog一oxdisplaydialog_box=.gui.dbox_5MENUI&He1P……5..22定制对话框DAAMS/view中使用的对话框包括各种界面对象，如标签、数据区、按钮等。可以使用DAAMS对话框编辑器来创建和修改对话框以更好地满足用户的需要。例如为标准对话框添加一个按钮来完成所需的功能，或添加一个对话框以执行经常运行的步骤等‘45’。利用对话框编辑器创建用户自定义对话框的操作方法如下:a.创建对话框对话框编辑器包含了用来创建对话框的所有工具，创建对话框的步骤如下:47 西安理工大学硕士学位论文(1)选择ToolS{oialogBox{Create命令，出现对话框编辑器，如图5一4所示。图5一4对话框编辑器Figure54Dialog·BoxBullder(2)选择oialogBox}New命令，出现NewDialogBox对话框，如图5一5所示:图5一5创建新对话框Figures一5NewDialogBox(3)在Name栏中输入对话框的名称，若没有输入，则使用系统默认名称，然后选择想在对话框上添加的默认按钮。(4)单击OK按钮完成设置，出现一个新对话框，如图5一6所示: 第五章基于ADAMS/view的人机界面二次开发图5一6新创建的对话框“dbox一”Fignres一6NewDialogBox“bdox-6”b.修改对话框可以利用对话框编辑器对创建好的对话框进行修改，可以添加各种不同的界面对象到对话框中，设计布局、外观、命令和对话框对象大小等。具体步骤如下:(l)选择Too1SIDialogBoxlModify命令，出现数据库向导。(2)选择要修改的对话框，再从Tools菜单选择对话框编辑器，通过双击出现的对话框的背景，就可以显示对话框编辑器并可以修改对话框。c.增加界面对象到用户定制对话框可以利用对话框编辑器为用户定制对话框添加界面对象，具体操作步骤如下:(l)在Create菜单中，选择要添加的对象。(2)将光标移动到要添加对象的对话框中。(3)按下鼠标左键并拖动来创建对象。所有界面对象的属性都可以通过对话框编辑器进行修改。d.在对话框中使用命令在用户定制对话框中，大多数界面对象都对应着一个ADAMS/View可执行命令，这些命令是为了完成用户希望的某项功能，或改变模型，或改变用户输入数据，或做出选择。可以用ADAMS/View命令语言(cmd)来为对象创建命令。也可以通过命令向导来找到所需要的命令。一旦找到命令，就可将它从命令窗口和109文件中复制，并粘贴或输入到命令编辑框。e.测试对话框用户在将定制好的对话框保存到数据库以前进行测试，具体方法为:(l)选择option1TestBox命令，AoAMs/view会显示该对话框。(2)测试想要执行的对话框命令。f.保存对话框在用户定制好自己的对话框之后，必须要对对话框进行保存。选择DialogBox)Export 西安理工大学硕士学位论文 命令，然后单击ColnaulndFile按钮，可以将用户对话框保存到适当的位置以便下次调用。9.加载和显示对话框用户可以通过以下操作加载已经保存好的对话框:选择File…mport命令，然后读入I所需的对话框命令文件，用户定制的对话框就被加载到数据库中。使用数据库向导可以显示对话框:标准的AD胡S/View对话框以字母顺序列在前面，接着是用户定制的对话框。显示对话框的操作步骤如下:(l)选择ToolslDialogBox}Display命令，则会出现数据库向导，其中列出了所有对话框。(2)选择所需对话框，并单击0K按钮。数据库向导及本例中所出现的对话框如图5一7所示:‘二」飞茹飞{:曰曰‘..一呀.‘.肠~‘.，.山J为..‘，护.，.盆..，叮.’，二~...目.‘.侧..;荟...，.，叼‘‘，.目匕‘曰~扣目J..门l卜.J日.，{一屯.“为.J.;，，川‘‘钾...为‘.‘t，.月，t，-’....户、月、一;二‘‘..~.州..J娜.曰日日‘目二扭盏门‘‘‘;目…-扮.‘‘‘占占...洲‘‘l.J.。加。目.:;闷.‘‘目J~几为.轰‘‘....，.，.‘..，呀，，’，....J刀，门...口二门...;.....’，..曰》.目.;....J~‘砚...卜..:J..。月‘‘…屯.口J‘方.目门，，J.‘月月.户..曰，J.曰为...;;一一，，J.…，..;潇;.l;疏=’{抵护~卜~·:斗」::{，林卜:__，，l.，·__三一~.:二邃，!、l图5一7(a)数据库向导Fig叮es一7(a)Da加bLaseNavigaotr 第五章基于ADAMS/View的人机界面二次开发 图5一7(b)曲轴建模对话框Figures一7伪)Dialog一BoxforCrar水shaftCreate 图5一7(c)连杆建模对话框Fiugres一7(e)Dialog一BoxforRosCreate图5一7(d) Figures一7(d)活塞建模对话框Dialog一BoxforPiston5l西安理工大学硕士学位论文 图5一7(e)igFures一7()e活塞销建模对话框Diloga-BoxfrPino 图5一7(f)仿真输入对话框Fiuegrs一7(0Dialog一BoxforSiulationnmIPut5.3宏命令的使用及循环命令和条件命令宏命令实际上是一组命令集，它可以执行一连串的ADAMS/View命令。创建宏命令时，首先按顺序列出要执行的ADAMS/View命令的清单，然后就可以将这些命令写成宏命令的形式【55】。在宏命令中，也可以使用参数。每次使用宏命令时，都将通过参数将数据传给宏。当执行带有参数的宏命令时，ADAMS/View将用户提供的值替代到宏命令中。 ADAMS/View对宏命令与其它的ADAMS/View的命令一样，可以在命令窗口中输入宏命令，从命令向导中选择它‘1。也可将它包含在其它的宏命令中，或者从自己的定制菜单、65对话框或按钮中执行它。使用宏命令可以实现以下功能:(1)(2)(3)自动完成重复性的工作。为ADAMS/view建立模型数据交换功能。自动创建整个模型。第五章基于ADAMs/view的人机界面二次开发(4) 快速建立机械系统的多个变量。ADAMS/V1ew命令语言包含有条件与循环结构语句，可以用它实现逻辑判断和循环功能。它们可以用在菜单命令、对话框命令和用户自己编写的宏命令程序文件中。循环命令的主要形式有以下两种:.FOR/END.WHILE/END条件命令的主要形式有以下三种:.IF/ELSEIF/ELSE/END.BREAK.CONTINUE5.4小结本章以前述章节所举四缸曲柄连杆机构为研究对象，ADAMS/Vi。w系统为工具，利用ADAMS/V1ew的二次开发技术，根据仿真模型的要求，开发了曲柄连杆机构的参数化设计系统，创建了使用更为方便的用户菜单和参数输入对话框，以使用户可以快速、自动、准确地建立此类连杆机构的动力学分析模型，进行仿真分析。解决了此类复杂机构在ADAMS/View中的建模问题以及从其它CAD造型软件中导入模型存在信息丢失、模型规模偏大、后续仿真困难等缺点。 第六章结论与展望6结论与展望本文首先概括了内燃机轴系动力学和振动研究的发展状况，并以N485Q型柴油机曲轴系统为对象，应用多体动力学仿真软件ADAMS，建立了轴系多刚体动力学分析的虚拟样机模型，分析了此机构中刚性曲轴的受力规律。结合有限元分析技术，对该型柴油机曲轴系进行了自由振动及受迫振动分析，取得了以下主要成果和结论:1.结合国内外内燃机虚拟设计的发展概况，讨论了内燃机虚拟设计的概念，以及在此基础上发展起来的虚拟样机技术。介绍了应用虚拟样机技术开展曲轴系统动力学研究的主要流程。2.应用多体动力学仿真软件ADAMS构造了一个可用于发动机曲轴系动力学响应分析的虚拟样机模型。基于这个多刚体系统模型，求出了各曲柄销在一个工作循环中的受力规律，发现曲轴的受力主要来自汽缸工质压力的作用及系统惯性力。3.在有限元基本理论的指导下，建立了N485Q型曲轴的有限元模型。通过有限元模态分析，计算了曲轴的前20阶自由振动模态，分析了主要模态的振型及固有频率。结论为前六阶是平动模态，从第七阶开始曲轴开始变形。4.利用有限元分析软件ANSYS，建立了曲轴的柔性体模型，以替换前述章节中多刚体系统中的刚性曲轴，通过多体动力学分析，计算了柔性曲轴的受迫振动，得出柔性曲轴系在运动中的动态特性，其中包含了柔性体在运动中的各种信息，包括变形、速度、加速度等重要点的相关信息，计算结果与实际情况吻合得很好。5.以ADAMs/view为工具，利用其二次开发技术，开发了曲柄连杆机构的参数化设计系统，以使用户可以快速、自动、准确地建立此类连杆机构的动力学分析模型，进行仿真分析。解决了此类复杂机构在ADAMS/View中的建模问题以及从其它CAD造型软件中导入模型存在信息丢失、模型规模偏大、后续仿真困难等缺点。本文的重点在于探索一条可以较为精确分析曲轴工作时动力学响应的方法。在建模时，对模型进行了简化。如何更为真实地模拟发动机工作时的实际情况，得出精确的载荷，则是下一步的工作重点。后续工作应该重点考虑以下几个问题:1.在建立多刚体动力学仿真模型时，尽量精确地使各部件的质量与设计质量保持一致，因为这些部件在高速运动时产生的惯性力将对发动机性能产生巨大的影响。2.仿真时考虑摩擦和负载阻力的影响。3.应有物理样机的试验数据，以便和仿真所得数据进行比较分析。致谢致谢本文是在薛隆泉教授和刘荣昌副教授的亲切关怀和精心指导下完成的，薛老师和刘老师的专业知识和严谨的治学态度都给作者以极大的帮助。在两位老师的悉心指导下，笔者更深地意识到做学问实事求是和研究创新的重要性。在做课题的过程中，薛老师会经常问一下笔者的进度，及时地给予批评和指正。刘老师虽远在秦皇岛，但也经常以电话或电子邮件的形式对课题进度进行耐心细致的指导。在选题时，刘老师更是给予了笔者极大的指导，并提供了大量参考资料，与他的探讨常常会启发笔者的思路，对课题的进展起到了很大的作用。这里，笔者对薛老师、刘老师表示崇高的敬意和衷心的感谢。衷心感谢同一教研室的王宏江、王慧武两位老师，感谢孙华东、刘相蕊、史晓影、周岩、祝丹晖等同窗好友的帮助。在做课题中，由于现有的研究环境和参考文献中，有关动态仿真的内容还非常少，而且关于ADAMS和ANSYS联合仿真的参考资料在课题开始阶段还十分短缺，这都对课题的进展产生了很大的困难，很多分析思路和软件使用技巧都是在和他们的讨论中发现的。这对课题的进展起到了很大促进作用，这里笔者对他们的无私精神表示感谢。同时，感谢机仪学院机械设计系所有老师在学校期间给我的帮助和支持。深深感谢家人多年来在精神、物质和生活上给予我的大力帮助和支持，向永远支持我的家人表示由衷的感谢!最后向曾经给予我帮助的所有人和所有参考文献的作者表示衷心的感谢!参考文献参考文献r﹄9.‘，.自山上.月陈立平，张云清，任为群，等.机械系统动力学分析及出版社，2005:313一3.应用教程【M].北京:清华大学郑凯，胡任喜，陈鹿民.AD脚52005机械设计高级应有实例【M].北京:机械工业出版社，2006:97一105.口﹄几.r，4U」q二占J周龙保.内燃机学【M〕.北京:机械工业出版社，2005:6一10.徐国宁.基于神经网络的曲轴最佳滚压参数研究【D].西安:西安理工大学，2007:32一36. 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