多體動力學(xué)在車用發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

多體動力學(xué)在車用發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用第一頁，共四十三頁，2022年，8月28日多體系統(tǒng)動力學(xué)

在車用發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用張保成第二頁，共四十三頁，2022年，8月28日本次報告的內(nèi)容及目的動力學(xué)的發(fā)展歷史、研究范圍及意義動力學(xué)的分類及理論基礎(chǔ)多體系統(tǒng)動力學(xué)在車用發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用多體系統(tǒng)動力學(xué)在其他方面的應(yīng)用及展望第三頁，共四十三頁，2022年，8月28日動力學(xué)的研究范圍及意義

動力學(xué)的研究可謂廣泛，小到微觀世界—分子原子間的運動及作用力，大到宏觀世界—飛機(jī)、坦克、大炮、天體運行；近到地球上人們的衣食住行，遠(yuǎn)到勇氣號的火星探測，乃至宇宙中星系間的碰撞問題，無不是動力學(xué)涵蓋的范圍。第四頁，共四十三頁，2022年，8月28日動力學(xué)的發(fā)展歷史1687年，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中的三條運動定律，奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)最早的工作是H.J.Fletcher等人在1963年討論的由兩個剛體組成的系統(tǒng)，使用的是向量力學(xué)中的Newton-Euler法多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究開展得略晚一點。早期有P.W.Likins在70年代初的研究工作，他采用的是混合坐標(biāo)，后來被稱為多柔體族系統(tǒng)。第五頁，共四十三頁，2022年，8月28日經(jīng)典動力學(xué)牛頓三大定律能量、角動量和動量的變化規(guī)律及其守恒規(guī)律動能定理：

柯尼希定理：(Konig'stheorem)第六頁，共四十三頁，2022年，8月28日經(jīng)典動力學(xué)角動量定理動量定理虛位移原理達(dá)朗伯爾原理受理想約束的質(zhì)點系不含約束力的平衡方程提供了求解動力學(xué)問題的另一種方法,即將動力學(xué)的問題在形式上化為靜力學(xué)的問題來進(jìn)行求解第七頁，共四十三頁，2022年，8月28日經(jīng)典動力學(xué)拉格朗日方程動力學(xué)普遍方程在廣義坐標(biāo)下的具體表現(xiàn)形式第八頁，共四十三頁，2022年，8月28日經(jīng)典動力學(xué)哈密頓正則方程第九頁，共四十三頁，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動力學(xué)多體系統(tǒng)動力學(xué)：包括多剛體系統(tǒng)動力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動力學(xué)。多體系統(tǒng)動力學(xué)是研究多體系統(tǒng)（一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成）運動規(guī)律的科學(xué)。

20世紀(jì)60年代，古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)與計算機(jī)相結(jié)合的力學(xué)分支——多體系統(tǒng)動力學(xué)在社會生產(chǎn)實際需要的推動下產(chǎn)生了。第十頁，共四十三頁，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動力學(xué)其主要任務(wù)是：1.建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)程式化的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)實現(xiàn)這個數(shù)學(xué)模型的軟件系統(tǒng)，用戶只需輸入描述系統(tǒng)的最基本數(shù)據(jù)，借助計算機(jī)就能自動進(jìn)行程式化的處理；2.開發(fā)和實現(xiàn)有效的處理數(shù)學(xué)模型的計算機(jī)方法與數(shù)值積分方法，自動得到運動學(xué)規(guī)律和動力學(xué)響應(yīng)；3.實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)后處理，采用動畫顯示，圖表或其他方式提供數(shù)據(jù)處理結(jié)果。目前多體動力學(xué)已形成了比較系統(tǒng)的研究方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程為代表的分析力學(xué)的方法、以牛頓-歐拉方程為代表的矢量學(xué)方法、圖論方法、凱恩方法和變分方法等。

第十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動力學(xué)多剛體的定點轉(zhuǎn)動描述：方向余弦、歐拉角及卡爾登角第十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動力學(xué)歐拉參數(shù)形式的動力學(xué)方程第十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動力學(xué)羅伯遜－維登伯格方法凱恩方法高斯最小拘束原理方法第十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日多柔體動力學(xué)柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)控制方程的基本原理和方法:牛頓-歐拉向量力學(xué)法拉格朗日為代表的分析力學(xué)法(哈密頓原理、虛位移原理、虛速度原理等)基于高斯原理等具有極小值性質(zhì)的極值原理其他方法第十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日多柔體動力學(xué)柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的描述方式：絕對描述：在指定慣性參考系后，系統(tǒng)中的物體在每一時刻的位形都在此慣性參考系中確定。相對描述：對于每個物體都按某種方式選定一個動參考系，物體的位形是相對于自己的動參考系確定。第十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日多柔體動力學(xué)我們一般采用相對描述的方法：相對描述的方法特別適合于由小變形物體組成的系統(tǒng)。此時，可以適當(dāng)?shù)倪x取動參考系，使得物體相對于動參考系的運動（變形）總是小。這樣，對于變形可按通常的線性方法來處理，如模態(tài)的展開。第十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日多體系統(tǒng)動力學(xué)分析方法

從20世紀(jì)80年代末期開始，隨著計算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和CAD（ComputerAidedDesign，計算機(jī)輔助設(shè)計）、MSD(Multi-bodySystemDynamics，多體系統(tǒng)動力學(xué))、VP(VirtualPrototyping，虛擬樣機(jī))等技術(shù)的興起，給發(fā)動機(jī)動力學(xué)分析，提供了嶄新的手段和得力的工具?；贑AD、MS技術(shù)發(fā)展起來的虛擬樣機(jī)（VP）技術(shù)，為發(fā)動機(jī)動力學(xué)分析開創(chuàng)了新的紀(jì)元，目前在市場上可供選擇的基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的商品化軟件產(chǎn)品就有二十多種，其中應(yīng)用最為廣泛的產(chǎn)品美國MSC公司的ADAMS、比利時LMS公司的DADS、德國航天局的SIMPACK、韓國的Recurdyn等。多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日利用基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的分析方法，首先要利用CAD技術(shù)建立發(fā)動機(jī)各運動機(jī)構(gòu)零部件的三維實體模型，然后利用多體系統(tǒng)動力學(xué)技術(shù)，搭建起整機(jī)運動機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型。其最大優(yōu)勢在于：1）采用CAD三維實體模型用于仿真分析，避免了傳統(tǒng)算法對實際結(jié)構(gòu)的簡化處理而引起的簡化誤差；2）通過柔性化處理的主要承、傳力零部件，可真實反映實際結(jié)構(gòu)的彈性特質(zhì)，以計及構(gòu)件的彈性變形對激勵載荷的影響；3）基于多體系統(tǒng)的一體化仿真，可以充分計及各載荷之間的相互影響及共同作用效果。多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析流程第二十頁，共四十三頁，2022年，8月28日車用發(fā)動機(jī)中存在的動力學(xué)問題曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析

連桿和活塞運動規(guī)律，往復(fù)慣性力，活塞側(cè)推力，連桿推力，曲柄銷載荷，傾覆力矩，輸出力矩等等配氣機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析

進(jìn)排氣門運動規(guī)律，氣門與搖臂接觸力，氣門與氣門座圈接觸力以及凸輪型線的評價等等第二十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日某型內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)實體模型多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第二十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日某型內(nèi)燃機(jī)多體系統(tǒng)動力學(xué)VP模型多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第二十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法某型內(nèi)燃機(jī)單缸配氣機(jī)構(gòu)模型第二十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日某型內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)模型多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第二十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日某型內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)模型多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第二十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日多體系統(tǒng)動力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法某型內(nèi)燃機(jī)多體系統(tǒng)動力學(xué)VP模型第二十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日直列四缸柴油機(jī)整機(jī)動力學(xué)模型第二十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析

連桿擺角、連桿擺角角速度、連桿擺角角加速度，活塞位移、活塞速度、活塞加速度，爆發(fā)壓力，往復(fù)慣性力，活塞側(cè)推力，連桿推力，曲柄銷載荷，主軸頸載荷，傾覆力矩，輸出力矩，曲軸的振動等第二十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日傳統(tǒng)方法的分析過程曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運動學(xué)分析運動件的運動質(zhì)量換算機(jī)構(gòu)的力源及受力分析第三十頁，共四十三頁，2022年，8月28日曲柄連桿機(jī)構(gòu)第三十一頁，共四十三頁，2022年，8月28日運動學(xué)分析第三十二頁，共四十三頁，2022年，8月28日運動質(zhì)量的換算第三十三頁，共四十三頁，2022年，8月28日激勵力的分析第三十四頁，共四十三頁，2022年，8月28日基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的現(xiàn)代方法裝配第三十五頁，共四十三頁，2022年，8月28日柔性體的引入替換第三十六頁，共四十三頁，2022年，8月28日激勵力與約束的施加機(jī)構(gòu)的激勵力：爆發(fā)壓力約束的施加：平移副及旋轉(zhuǎn)副外載荷：曲軸的勻速轉(zhuǎn)動第三十七頁，共四十三頁，2022年，8月28日計算結(jié)果1第一缸的爆發(fā)壓力第三十八頁，共四十三頁，2022年，8月28日計算結(jié)果2第一缸的活塞側(cè)推力第三十九頁，共四十三頁，2022年，8月28日計算結(jié)果3第一缸的曲柄銷徑向力