新型摆式二冲程微型内燃机柔性动力学仿真分析

摘要

柔性多体系统是由多个刚体和柔性体相互连接而组成的系统,在人们生产生活中应用广泛。随着高速机械、机器人和航天结构的发展,对包含整体运动和弹性变形的柔性多体系统的研究越来越重要。本论文的中心内容是结合有限元分析软件ANSYS与ADAMS仿真软件各自的优点,对微型摆式发动机的结构采取了柔性动力学仿真分析、研究。并对系统的稳定性进行了恰当、合理的分析。基于模态叠加法和结构动力学中的约束模态综合法,利用带乘子的拉格朗日方程建立了动力学方程,为刚柔耦合分析提供了理论基础。从数学的角度上解释了“由ANSYS模态分析得到ADAMS的柔性体矩阵”的合理性。对其进行模态分析,从分析结果得到中心摆的固有频率及振型。其第一阶固有频率为14394Hz,远大于工作频率,能有效的避开共振区域。对模型进行简化,并提高单元的精度。优化中性文件,提高了ADAMS的仿真速度。比较“新型摆式二冲程微型摆式发动机”刚柔耦合仿真的位移曲线、速度与加速度曲线,刚柔耦合和刚性仿真的位移曲线比较吻合,验证了最初以刚性设计为出发点的运动精度符合设计要求。由ANSYS瞬态动力分析确定载荷随时间变化时,结构的响应。瞬态动力分析的输入ADAMS中求出的大小和方向随时间变化的接触反力。得到的输出数据是随时间变化的位移量和其它的导出量,验证了结构的稳定性。本课题在建立机构柔性多体运动学与动力学数理模型的基础上,求得了微型二冲程摆式内燃机的机构刚柔耦合多体系统的模态特征与稳定性特征。分析结果对微型摆式内燃机结构动态特性预测乃至结构的开发设计,均具有重要的指导意义。为下一步的多场耦合分析奠定了理论基础。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 本论文的研究意义

1.2.1 研究背景

1.2.2 国内外研究进展

1.3 论文研究的主要内容

第二章 新型摆式二冲程内燃机的运动学描述

2.1 柔体系统坐标的建立

2.2 柔性体上任意点的位置、速度、加速度矢量

2.3 单元变形的模态坐标描述

2.3.1 模态叠加法

2.3.2 约束模态综合法---Craig-Bampton

2.4 新式摆式二冲程内燃机的运动学分析

2.4.1 建立坐标系

2.4.2 运动学分析

2.5 本章小结

第三章 新型摆式二冲程内燃机的动力学描述

3.1 动力学数学模型

3.2 广义约束力的计算

3.3 广义主动力

3.4 本章小结

第四章 三维实体模型的建立和基于 ADAMS 的系统运动学分析

4.1 利用PRO/E 建立内燃机的三维模型

4.2 PRO/E与ADAMS 接口简介

4.2.1 数据传送中出现的一些问题

4.2.2 把模型导入到ADAMS 环境

4.3 在ADAMS 环境中为系统添加必要的约束和力

4.4 系统运动学分析

4.4.1 ADAMS 中运动学方程的求解算法

4.4.2 ADAMS 运动学仿真结果与分析

4.5 本章小结

第五章 ANSYS 模态分析及中性文件的生成

5.1 模型的简化

5.2 模态分析与ANSYS 的模态提取方法

5.3 基于ANSYS 的微型内燃机机构模态分析

5.4 模态中性文件*.MNF的生成

5.5 本章小结

第六章 ADAMS 刚柔耦合仿真分析与载荷的输出

6.1 ADAMS 刚柔耦合的方法

6.1.1 系统动力学方程的建立

6.1.2 ADAMS 中动力学方程的求解算法

6.2 微型内燃机的柔性仿真与结果分析

6.2.1 柔性体的导入

6.2.2 缸体内燃烧压力的添加

6.2.3 中心摆在燃烧压力作用下的仿真结果与分析

6.3 ADAMS 中输出 ANSYS 所需的载荷文件

6.4 本章小结

第七章 ANSYS 瞬态动力学仿真

7.1 瞬态动力学分析模块的选用

7.2 中心摆的瞬态动力学分析

7.3 本章小结

第八章 总结

参考文献

附录 ANSYS 模态分析命令流

致谢

在读期间取得的科研成果

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