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2022年10月03日

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-Solid阿尔山toSolid);

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_in种植机械ertia_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,加速度出减少机械磨损现两个峰值,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,活塞的加气动产品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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