基于虛擬樣機技術的摩托車發(fā)動機配氣機構(gòu)仿真分析重點講義

1、ADAMS仿真設計（摩托車發(fā)動機配氣機構(gòu)仿真）學號：107331404055姓名： 馬 嘉 偉虛擬樣機技術及其在摩托車發(fā)動機配氣機構(gòu)仿真分析中的應用前言業(yè)內(nèi)專家斷言：我國摩托車發(fā)動機制造水平至少落后日本10年，設計開發(fā)能力落后15年。因此，當前及今后的一段時間還需要仿制和引進國外摩托車發(fā)動機產(chǎn)品技術，而虛擬樣機技術為我們消化和吸收國外技術，追趕先進水平提供了一條捷徑。以前我們仿制和引進別人的東西，一般是原封不動的照抄別人的零件，只知其然而不知其所以然，缺乏系統(tǒng)層面上的理解，所以仿制的產(chǎn)品總趕不上原機的水平，這也就是我們的設計質(zhì)量始終趕不上別人的根本原因。采用虛擬樣機技術，技術人員便可以對引進的

2、樣機進行深入研究，追蹤樣機的設計思想和設計原理，甚至還可以發(fā)現(xiàn)樣機的缺陷進行優(yōu)化改進，“青出于藍而勝于蘭”。國外產(chǎn)品的高水平的設計源于多年的經(jīng)驗積累，而借助于在虛擬樣機上的模擬，我們也會很快取得一些經(jīng)驗成果，及時用到新產(chǎn)品自主開發(fā)當中。C100發(fā)動機是國內(nèi)彎梁車普遍使用的發(fā)動機，本文嘗試采用虛擬樣機技術對該型發(fā)動機的配氣機構(gòu)進行了仿真分析，各種分析結(jié)果不單可以為優(yōu)化指明方向，同時也有助于從廣義的系統(tǒng)層面上理解該機的設計理念，積累技術素材。一、虛擬樣機技術(Virtual Prototyping Technology)1、概述 虛擬樣機技術是指在計算機上建立一個虛似化的完整的產(chǎn)品模型，這個虛擬的

3、模型具有物理樣機的功能，可以代替物理樣機進行試驗分析。對于傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)來說，產(chǎn)品的性能只有在物理樣機制造出來并進行試驗后才能得到，如果性能達不到要求，只有修改設計，再做樣機進行試驗，這樣反復多次，周期很長，費用高昂，是制約產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸。而虛擬樣機技術的出現(xiàn)，在產(chǎn)品的設計階段就可以對性能仿真優(yōu)化。從而大大節(jié)約了物理樣機的制造和試驗的時間和費用，虛擬樣機技術使產(chǎn)品開發(fā)真正產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。 運用虛擬樣機技術，產(chǎn)品設計人員可以在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬產(chǎn)品整體的運動及受力情況，快速分析多種設計方萊，進行對物理樣機而言難以進行或根本無法進行的試驗，直到獲得系統(tǒng)級的優(yōu)化設計方案。虛擬樣機技術的應用貫串在

4、整個設計過程當中，它可以用在概念設計和方案論證中，設計師可以把自己的經(jīng)驗與想像結(jié)合在計算機內(nèi)的虛擬樣機里，讓想象力和創(chuàng)造力充分發(fā)揮。當虛擬樣機用來代替物理樣機驗證設計時，不但可以縮短開發(fā)周期，而且設計質(zhì)量和效率得到了提高。2、虛擬樣機技術的實現(xiàn) 虛擬樣機技術以三維實體建模(3D-CAD：3D-Computer Aided Design)、多體系統(tǒng)動力學分析(MSDA：Multi-body System Dynamic Analysis)和有限元分析(FEA：Finite Element Analysis)為主線，以3D-CAD、MSDA和FEA軟件為支撐。 3D-CAD軟件提供系統(tǒng)各零部件的幾

5、何信息，通過定義零部件的材料屬性，CAD軟件可以自動計算出零部件的物理信息(質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等)，進一步可以在計算機上定義零部件間的連接關系并對機械系統(tǒng)進行虛擬裝配，從而獲得機械系統(tǒng)的虛擬樣機(實體模型)。其代表性軟件有：pro/E、UG、Solidworks、MDT、Inventor等。 MSDA軟件在“實體模型”基礎上進一步定義運動副、接觸、速度、加速度、力、阻尼等動力學參數(shù)形成“動力學分析模型”，仿真機械系統(tǒng)在各種工況下的運動和受力情況，通過分析仿真結(jié)果，可以在計算機上很方便地發(fā)現(xiàn)設計缺陷加以改進，并立即驗證改進效果。通過不同設計方案的仿真分析比對，可以最終獲得最優(yōu)設計方案。其代表性軟件有

6、：MSC.ADAMS、DADS、SIMPACK、COSMOSMotion等。 FEA軟件可以在零部件“實體模型”的基礎上通過添加邊界條件后進行靜力學分析(分析結(jié)構(gòu)在靜力作用下的應力與應變)和動力學分析(分析結(jié)構(gòu)的固有頻率、主振型(模態(tài))、以及在動載荷作用下的動撓度、動應力等)。其代表性軟件有：ANSYS、MSC/Nastran、COSMOSworks等。 MSDA軟件的分析出的零部件的受力結(jié)果，為FEA分析提供了準確的邊界條件，而通過FEA分析，又可以提高和優(yōu)化零件設計，從而實現(xiàn)產(chǎn)品從局部到整體、從單個零件到系統(tǒng)都得到提高，達到了真正意義的虛擬樣機的功能。二、虛擬樣機技術在配氣機構(gòu)仿真分析中的

7、應用1、C100發(fā)動機配氣機構(gòu)的零部件構(gòu)成1、擋油罩組件 2、凸輪軸組件 3、搖臂 4、搖臂軸 5、進氣門6、排氣門 7、氣門外彈簧 8、氣門內(nèi)彈簧 9、彈簧座 10、彈簧圈11、鎖夾 12、調(diào)整螺釘 13、調(diào)整螺母圖1 C100發(fā)動機配氣機構(gòu)的零部件構(gòu)成2、實體建模采用3D-CAD軟件嚴格按照零部件圖紙精確建立了配氣機構(gòu)中的：汽缸頭本體(僅完成了分析相關部分)、凸輪軸、進氣門(含氣門鎖夾和氣門彈簧座)、排氣門(含氣門鎖夾和氣門彈簧座)、氣門搖臂、搖臂軸、氣門調(diào)整螺釘、氣門調(diào)整螺母等零部件的實體模型。由于進行仿真分析時氣門內(nèi)外彈簧的彈力可由相應參數(shù)直接給出，因此不需要建立實體模型。建模時“凸輪

8、型線”采用“樣條曲線”的來描述。零部件實體建模完成后，再在建模軟件中選擇零部件材料或輸入材料的性質(zhì)參數(shù)，軟件就可以自動計算出零部件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)心位置等物理特征。由于是按圖紙建立的模型，因此，考察軟件計算出的零部件物理參數(shù)與圖紙標注的物理參數(shù)或?qū)嶋H測得的物理參數(shù)的一致性，是對建模正確性、準確性的一種檢驗方式。準確的實體模型是保證后續(xù)仿真分析結(jié)果準確可靠的基礎和前提。部分零部件的“模型質(zhì)量”和“實際質(zhì)量”統(tǒng)計表見表1：表1 零部件質(zhì)量參數(shù)對照表序號零部件名稱模型質(zhì)量實際質(zhì)量備注1排氣門0.024kg0.023kg均含：氣門鎖夾和氣門彈簧座2進氣門0.026kg0.025kg3氣門調(diào)整螺釘0

9、.0025kg0.002kg4氣門調(diào)整螺母0.0016kg0.002kg5氣門搖臂0.041kg0.045kg圖2 C100發(fā)動機配氣機構(gòu)的實體裝配(氣門彈簧未建模) 零部件實體建模完成并確認無誤后，就可進行實體裝配建模。圖2所示為嚴格按照產(chǎn)品圖紙完成的實體裝配?？紤]到摩托車發(fā)動機的氣門間隙只有0.05mm，因此建立虛擬裝配體時忽略不計按無間隙處理了，即氣門調(diào)整螺釘?shù)那蛎媾c氣門桿的端面直接采用了“相切”約束。裝配體完成后，可以利用3D-CAD軟件提供的對測量工具對一些關鍵部位進行測量，用以驗證模型的正確性，同時也可以獲得一些綜合信息。例如：現(xiàn)代內(nèi)燃機氣門彈簧都采用內(nèi)外雙彈簧，每根彈簧都采用變節(jié)

10、距結(jié)構(gòu)，以充分利用空間，在有效保證彈力的同時減少共振。一般的設計準則是：彈簧“力值壓縮量”曲線圖上的拐點(P1)就在配氣機構(gòu)“自由”狀態(tài)時氣門彈簧的長度處，P2點設計在氣門最大升程處(取進排氣門最大升程中哪一個大按哪一個的數(shù)據(jù))。C100發(fā)動機配氣機構(gòu)氣門彈簧參數(shù)見表2。實體建模后，從模型上測量得到的P1點處裝配體上相關數(shù)據(jù)值和圖紙要求值對比見表3。表2 氣門彈簧參數(shù)序號項 目氣門外彈簧氣門內(nèi)彈簧1彈簧自由長度(mm)35.2532.412P1點長度(mm)25.4522.453P2點長度(mm)19.6516.654P1和P2點的長度差(mm)5.85.8表3 P1點氣門彈簧長度P1點要求氣

11、門外彈簧氣門內(nèi)彈簧裝配體實測圖紙要求裝配體實測圖紙要求進氣門25.4325.4522.4322.45排氣門25.4325.4522.4322.454、動力學分析在“實體模型”的基礎上定義后續(xù)仿真分析過程所需要的各種參數(shù)：部件(如：固定件、運動件)、約束(如：平動副、轉(zhuǎn)動副、凸輪副等運動副、移動、轉(zhuǎn)動的相對運動)、力(如：彈簧力、阻尼力、沖擊力等)、以及必要的參考坐標系等就建立了“分析模型”?！胺治瞿Ｐ汀眲?chuàng)建完成后就可以利用分析軟件中的仿真分析命令進行各種仿真分析，從而獲得各種結(jié)果。而且可以很方便改變各種初始條件，進行多參數(shù)或多方案比較，這也是“虛擬樣機技術”的主要優(yōu)點。配氣機構(gòu)的“凸輪軸”與“

12、搖臂”間約束為：標準凸輪副中的曲線曲線碰撞約束，并且依據(jù)凸輪軸與搖臂在發(fā)動機運轉(zhuǎn)中實際可能的配合情況還選取了允許“間歇碰撞”的選項(可以仿真凸輪和搖臂間的“飛脫”情況)。由于“氣門調(diào)整螺釘”與“進氣門”(或“排氣門”)間的實物接觸狀態(tài)為“球面對平面”接觸，因此定義為：“3D碰撞接觸”約束。同時將上面的“曲線-曲線碰撞約束”和“3D碰撞接觸約束”間兩實體的工作狀態(tài)由軟件默認的“干磨擦”狀態(tài)，調(diào)整為“潤滑”狀態(tài)?！皻忾T調(diào)整螺釘”以及“氣門調(diào)整螺母”實物狀態(tài)為固定在“搖臂”上，隨搖臂一起運動，因此兩件都用“附著在”約束將他們固定在搖臂上。氣門內(nèi)彈簧和外彈簧可以通過“力庫”中的“線性彈簧”模板生成，定

13、義了作用位置之后，再輸入相應的“剛度”、“長度”、“預緊力”等參數(shù)就可以在配氣機構(gòu)的“分析模型”中得到具有特定物理參數(shù)的虛擬彈簧?！巴馆嗇S”作為原動件，在其上還定義了一個恒定轉(zhuǎn)速的運動。該轉(zhuǎn)速為曲軸轉(zhuǎn)速的一半。改變凸輪軸轉(zhuǎn)速就可以仿真不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下配氣機構(gòu)的運轉(zhuǎn)情況。分析持續(xù)時間按保證凸輪軸正好轉(zhuǎn)動1周(3600)確定。為保證有足夠的仿真精度，同時方便后續(xù)分析計算，3600圓周按1000幀處理,即不到半度就計算一次。再將其它的參數(shù)全部定義完成之后就可以進行仿真分析，仿真分析過程由軟件智能完成，軟件第一步首先計算整個系統(tǒng)的自由度，如果自由度為零，進行運動學分析。如果自由度不為零，則軟件通過分析

14、初始條件，自動判定是進行動力學分析還是進行靜力學分析。然后進行仿真分析，分析完成后按要求輸出參數(shù)的數(shù)據(jù)曲線、表格或生成實時動畫。進行發(fā)動機各種不同轉(zhuǎn)速下的仿真，可得到各種轉(zhuǎn)速下的氣門升程、速度、加速度、搖臂和氣門間碰撞力、搖臂與凸輪的接觸力、氣門落座碰撞力等。以及一些不常用的參數(shù)：凸輪壓力角，凸輪相對輪心滑動位移，凸輪和搖臂相對滑動速度、加速度，搖臂相對接觸曲線圓心滑動位移，搖臂、氣門相對滑動位移、速度、加速度等。發(fā)動機轉(zhuǎn)速8000rad/min(凸輪軸運轉(zhuǎn)一周時間為：0.015s)時的分析結(jié)果：4.1、氣門升程和配氣相位圖3 C100發(fā)動機一個工作循環(huán)內(nèi)進排氣門升程曲線(粗線為排氣門升程、細

15、線為進氣門升程)表4 氣門升程分析計算表序號項 目進氣門排氣門仿真結(jié)果設計值仿真結(jié)果設計值1最大氣門升程(mm)5.7795.85.5855.621mm氣門升程時刻配氣相位(0)207.497207211.6552133豐滿系數(shù)0.72324.2、接觸力和沖擊力圖4 進氣門慣性力(圖中粗線)和氣門彈簧力(圖中細線)圖5 排氣門慣性力和氣門彈簧力的合力表5 氣門慣性力與氣門彈簧力的合力序號項 目進氣門排氣門備 注1氣門慣性力與氣門彈簧力的合力最大值(N)967.81871.53仿真得到2氣門慣性力與氣門彈簧力的合力最小值(N)93.4842.87仿真得到 由表5知：氣門慣性力與氣門彈簧力的合力在

16、整個運動過程中均大于0，因此可以保證氣門在運動過程中“氣門”與“氣門調(diào)整螺釘”之間不發(fā)生“飛脫”。表6 氣門搖臂與凸輪的接觸情況序號項 目進氣門排氣門備 注1作用力開始為零(飛脫)的時刻0.0103800.007200仿真得到2飛脫后又開始接觸的時刻0.0108000.0072453又開始接觸瞬間的沖擊力(N)34542039.54飛脫持續(xù)時間(s)0.004200.000045由仿真數(shù)據(jù)計算得到5飛脫持續(xù)時間占整周運動時間的比例2.8%0.3%仿真分析表明改型發(fā)動機在8000rad/min時開始出現(xiàn)“氣門搖臂”與“凸輪”飛脫情況，但持續(xù)的時間非常短。僅僅從計算機屏幕上顯示的仿真動畫上無法看到

17、“飛脫”。當發(fā)動機到達10000rad/min時從計算機屏幕就可以看到非常明顯的“飛脫”現(xiàn)象。5、有限元分析 各種有限元分析軟件的使用流程基本相同，簡單來說可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元分析模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。頂置凸輪配氣機構(gòu)中“氣門搖臂”的工作條件、運動情況和受力狀況都較為復雜。運動過程中的角速度和角加速度都很高。它是一個雙臂杠桿，兩臂都承受較大彎曲應力，搖臂的結(jié)構(gòu)設計要求在最輕的重量下有最好的強度、剛度和固有頻率，因此大多數(shù)采用T字形或工字形的斷面。5.1固有頻率分析節(jié)點(Nodes)數(shù)為：814

18、80、單元(Elements)數(shù)為：54342、自由度(DOF)為：240648表7 氣門搖臂模態(tài)分析結(jié)果模態(tài)號頻率(赫茲)周期(秒)16538.20.0001529526931.10.000144283112760.000088694124470.000080345210650.00004747由頻率分析數(shù)據(jù)可以看出：氣門搖臂的固有頻率為6538.2Hz，遠遠高于凸輪軸的轉(zhuǎn)速范圍05500rad/min(092Hz)。5.2、靜力分析結(jié)果靜力分析的工況取為發(fā)動機轉(zhuǎn)速10000rad/min和8000rad/min兩種情況。由動力學分析可以確定10000rad/min和8000rad/min兩種情況下氣門搖臂受力的極限情況，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?：表8 氣門搖臂受力發(fā)動機轉(zhuǎn)速(rad/min)氣門搖臂在氣門側(cè)受力最大值(N)氣門搖臂在凸輪側(cè)受力最大值(N)100008719148888000967.813454將上述載荷加載在氣門搖臂相應受力面上，并在氣門搖臂上與搖臂軸配合表面上添加“不可移動”的約束條件，同時確認材料認為“合金鋼”、完成網(wǎng)格劃分，就可以進行“靜力分析”，分析后可以得到“應力”、“應變”等結(jié)果：表9 氣門搖臂靜力分析結(jié)果發(fā)動機轉(zhuǎn)速(rad/min)氣門搖臂上的最大應力(N/m2)氣門搖臂上的最小應力(N/m2)最大應力