微型二冲程摆式内燃机动力学特性分析

摘要

在便携式移动电子设备蓬勃发展的当今社会,传统的化学电池已经不能满足供电需求,研究具有高能量密度的微机电系统能够适应社会的发展,满足电子设备对电源的要求。但我国微机电系统的研发尚未成熟,微型摆式内燃机主要以一摆动构件输出动力,能量转化效率高,结构简单,易于实现微型化,能够满足当今便携式移动电子设备对电源的需求,对推动移动电子设备在各个领域的应用,具有重要的社会价值。
　　本文的研究来源于国家自然基金项目“微型二冲程摆式内燃机燃烧机理研究”。主要研究摆式内燃机的动力学特性,以动力学理论为基础,结合有限元分析软件ADAMS和Workbench各自的分析优势,对摆式内燃机的核心构件进行动力学仿真和数值模拟,并对系统进行可靠性分析。
　　本文主要研究内容分为三大方面:第一,通过拉格朗日引入的广义坐标、广义速度和广义动量,建立摆式内燃机运动学方程,依据ADAMS在运动方程中的求解算法,仿真分析了中心摆的摆动角度、角速度、角速度分量和角加速度随摆动周期的变化情况。根据实验数据建立了燃烧室压力随时间变化曲线,通过ADAMS中akispl函数拟合函数值,进行了仿真分析,结果与运动仿真分析中的曲线一致;第二,利用Workbench进行了摆式内燃机系统有预应力的模态特性分析,得出了摆式内燃机前六阶固有频率以及对应的振型,结果表明摆式内燃机系统固有频率与激振频率相差甚远,可以有效地避开共振区;第三,燃烧室封闭阶段内部压力很大,中心摆承受的载荷最大。根据流体仿真分析得出对应阶段压力变化情况,然后对中心摆进行对应阶段的瞬态动力分析,得到了中心摆的应力、变形情况。结果表明,爆炸时,高温高压的气体可能会使中心摆变形,与缸体发生刚性摩擦,加速结构的磨损,因此,结构有待进一步优化。
　　通过本文的研究,得出微型摆式内燃机的动力学特性,及其工作的可靠性,分析结果对实现微型摆式内燃机正常运转起着关键的作用。分析结论可作为结构设计以及优化的重要参考依据,能够缩短结构设计时间,降低实验成本,为我国微机电系统的发展奠定了一定的基础。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 研究意义

1.5 本章小结

第二章 新型二冲程微型摆式内燃机工作过程

2.1摆式内燃机总体设计思路

2.2摆式内燃机结构简介

2.3摆式内燃机工作过程

2.4本章小结

第三章 摆式内燃机动力学理论

3.1运动学分析

3.2动力学分析

3.3广义约束力的计算

3.4本章小结

第四章 摆式内燃机动力学分析

4.1摆式内燃机三维模型建立

4.2在 ADAMS 中为系统添加必要的约束和力

4.3系统运动学分析

4.4摆式内燃机动力学分析

4.5摆式内燃机惯性力系的求解

4.6本章小结

第五章 摆式内燃机模态分析

5.1模态分析简介

5.2中心摆的模态分析

5.3内燃机系统模态分析

5.4本章小结

第六章 摆式内燃机瞬态动力仿真

6.1中心摆瞬态动力学分析有限元模型

6.2中心摆瞬态动力学分析结果

6.3本章小结

第七章 结论与展望

7.1 研究结论

7.2 工作展望

参 考 文 献

致谢

作 者 简 介