1．目的及意义

内燃机是汽车、拖拉机、工程机械、船舶、移动和备用电站等的基本动力装置。自二十世纪五十年代以来，随着科学技术的迅猛发展、以内燃机为动力的各种装置保有量的日益增加，人们对内燃机的要求越来越高。而曲轴作为发动机的主要承载零件，其力学性能优劣直接影响着发动机的可靠性和寿命。随着发动机强化指标的不断提高，曲轴的工作条件更加复杂。在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证曲轴具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为曲轴设计的关键性问题。由于在实际工况中曲轴承受活塞、连杆传递的爆发压力的交变载荷作用，受力情况极其复杂。采用传统的单纯有限元分析方法，很难完成对曲轴运行过程中动态变化边界条件的描述。一般是使用单缸单拐曲轴系统，通过简化加载边界条件，完成曲轴动力响应的稳态分析工作。其计算速度快，模型构造简单但计算结果往往与实测偏差较大，不能够真实地反映曲轴在实际运行工况下的力学特性。为了真实全面地了解曲轴在实际运行工况下的力学特性，本文采用了多体动力学仿真技术与有限元分析技术相结合的方法，针对某型柴油机曲轴进行了实时的，高精度的动力学响应分析与计算。因此本研究所采用的高效、实时分析技术对提高分析精度，提高设计水平具有重要意义。

传统的机械设计一次成功率很低，其主要原因之一就是设计方案的优劣基本上要等到产品样机试制完成并经考核后才能确认，如果这时发现设计方案不符合要求，就必须改动设计重新试制，会造成很大的浪费和拖延产品开发时间间。通过应用机构运动学、动力学模拟以及产品的性能模拟就有可能从根本上改变这一状况，从而提高设计效率、缩短产品开发周期、提高市场竞争力。本课题通过运用多体动力学软件建立合理的柴油机曲轴系多体动力学模型，完成一个工作周期内的仿真，得到曲轴在实际工作周期内的动态边界条件，继而运用有限元分析软件对曲轴进行瞬态动力学分析，期望得到一周期内曲轴的动力学响应，演示其运行过程中所表现出的力学特性，由此可以清楚地了解曲轴工作过程中各部分的应力、应变，迅速找到危险部位，为曲轴的优化设计奠定基础。本文运用多体动力学仿真技术，在计算机辅助工程分析软件环境下，结合三维实体建模，有限元分析与柔性体生成技术，多体动力学的动态仿真等手段，研究开发出一种能够较精确分析曲轴在既定工况下动力学响应特性的可行方法。该方法率先使用柔性体的多体动力学仿真技术作为基础研究手段，完成了包括曲轴在工作周期内实时应力、应变分析，曲轴运动特性与动力特性分析工作。丰富了以多刚体模型作为分析基础的基本研究方法。同时也为在微机上精确地分析曲轴的动态响应，进行曲轴的创新设计，改型设计及优化设计提供了强有力的技术保证。在产品设计阶段，利用参数改变来实现工作机构性能改善，使机构惯性力平衡达到最优化，从而提高效率、降低成本。

多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术，提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验，充分利用已有的基本物理原理，采用与实际物理系统实验相似的研究方法，在计算机上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件主要有Pro/Mechanics，Working model 3D，ADAMS 等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真，可校核部件动轨迹，及时发现运动干涉；对部件装配进行动力学仿真，可校核机构受力情况；根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化，可最大限度地满足性能要求，对设计提供指导和修正。目前国内大学和企业已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用，能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构运动干涉，校核配气机构运动、动力学性能等，为设计人员提供了基本的设计依据。

目前国内外对内燃机工作机构的动力学分析方法很多，而且已经较完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动即位移、速度和加速度随时间变化的关系，动力学则是研究产生运动的力。内燃机曲柄连杆机构的动力学分析主要包括对气体力、惯性力、轴承力和曲轴扭矩等的分析。传统的内燃机工作机构运动学、动力学分析方法主要有图解法和解析法。

(1)图解法：形象直观，机构各组成部分的位移、速度、加速度、所受力的大小及改变趋势通过图解一目了然。图解法作为解析法的辅助手段，可用于对计算结果正误的判断和解的初值选择，缺点是精度不高。不经任何计算，对曲柄连杆机构直接图解速度和加速度的方法最早由克莱茵提出，但方法十分复杂。

(2)解析法：解析法是对逐个构件列出平衡方程，通过各个构件间的联立线性方程组来求解运动副约束反力和平衡力矩。解析法又包括单位向量法、直角坐标法等。

(3)复数向量法：复数向量法是以各个杆件作为向量，把在复平面上的连接过程用复数形式加以表达，对于包括结构参数和时间参数的解析式就时间求导后，可以得到机构的运动性能，该法是工作机构运动分析的较好方法。通过对机构运动学、动力学的分析，我们可以清楚了解内燃机工作机构的运动性能、运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因，大部分复杂的机械运动尽管能够给出解析表达式，却难以计算出供工程设计使用的结果，不得不用粗糙近似的图解法求得数据。近年来随着计算机的发展，可以利用复杂的计算表达式来精确求解各种运动过程和动态过程，从而形成了机械性能分析和产品设计的现代理论和方法。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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本文运用理论分析和计算机数值仿真相结合的方法，对发动机曲柄连杆机构中曲轴进行瞬态动力学分析仿真，通过运用多体动力学软件建立合理的柴油机曲轴系多刚体动力学模型，完成一个工作周期内的仿真，得到曲轴在实际工作周期内的动态边界条件，继而运用有限元分析软件对曲轴进行瞬态动力学分析，期望得到一周期内曲轴的动力学响应，完成在一个工作周期中所表现出的动力响应特性，由此可以清楚地了解曲轴工作过程中振动引起的各部分的应力、应变，迅速找到危险部位，为曲轴的优化设计奠定基础。

主要技术路线如下：

(1)搭建简化的曲轴轴系系统运动学模型和动力学模型，搭建用于有限元分析的曲轴简化模型。

(2)在CATIA 环境中完成上述简化模型的三维建模，确定导出格式，为后续的分析工作做准备。