多體動(dòng)力學(xué)在車用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

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

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

動(dòng)力學(xué)的研究可謂廣泛，小到微觀世界—分子原子間的運(yùn)動(dòng)及作用力，大到宏觀世界—飛機(jī)、坦克、大炮、天體運(yùn)行；近到地球上人們的衣食住行，遠(yuǎn)到勇氣號(hào)的火星探測(cè)，乃至宇宙中星系間的碰撞問(wèn)題，無(wú)不是動(dòng)力學(xué)涵蓋的范圍。第四頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)力學(xué)的研究開(kāi)展得略晚一點(diǎn)。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(lái)被稱為多柔體族系統(tǒng)。第五頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日經(jīng)典動(dòng)力學(xué)牛頓三大定律能量、角動(dòng)量和動(dòng)量的變化規(guī)律及其守恒規(guī)律動(dòng)能定理：

柯尼希定理：(Konig'stheorem)第六頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日經(jīng)典動(dòng)力學(xué)角動(dòng)量定理動(dòng)量定理虛位移原理達(dá)朗伯爾原理受理想約束的質(zhì)點(diǎn)系不含約束力的平衡方程提供了求解動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的另一種方法,即將動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題在形式上化為靜力學(xué)的問(wèn)題來(lái)進(jìn)行求解第七頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日經(jīng)典動(dòng)力學(xué)拉格朗日方程動(dòng)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(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日經(jīng)典動(dòng)力學(xué)哈密頓正則方程第九頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)：包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究多體系統(tǒng)（一般由若干個(gè)柔性和剛性物體相互連接所組成）運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)相結(jié)合的力學(xué)分支——多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)在社會(huì)生產(chǎn)實(shí)際需要的推動(dòng)下產(chǎn)生了。第十頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)其主要任務(wù)是：1.建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)程式化的數(shù)學(xué)模型，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(jì)算機(jī)就能自動(dòng)進(jìn)行程式化的處理；2.開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)有效的處理數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)方法與數(shù)值積分方法，自動(dòng)得到運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；3.實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)后處理，采用動(dòng)畫(huà)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(dòng)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(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)多剛體的定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)描述：方向余弦、歐拉角及卡爾登角第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)歐拉參數(shù)形式的動(dòng)力學(xué)方程第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多剛體系統(tǒng)動(dòng)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(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多柔體動(dòng)力學(xué)柔性多體系統(tǒng)動(dòng)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(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多柔體動(dòng)力學(xué)柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的描述方式：絕對(duì)描述：在指定慣性參考系后，系統(tǒng)中的物體在每一時(shí)刻的位形都在此慣性參考系中確定。相對(duì)描述：對(duì)于每個(gè)物體都按某種方式選定一個(gè)動(dòng)參考系，物體的位形是相對(duì)于自己的動(dòng)參考系確定。第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多柔體動(dòng)力學(xué)我們一般采用相對(duì)描述的方法：相對(duì)描述的方法特別適合于由小變形物體組成的系統(tǒng)。此時(shí)，可以適當(dāng)?shù)倪x取動(dòng)參考系，使得物體相對(duì)于動(dòng)參考系的運(yùn)動(dòng)（變形）總是小。這樣，對(duì)于變形可按通常的線性方法來(lái)處理，如模態(tài)的展開(kāi)。第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法

從20世紀(jì)80年代末期開(kāi)始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和CAD（ComputerAidedDesign，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、MSD(Multi-bodySystemDynamics，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué))、VP(VirtualPrototyping，虛擬樣機(jī))等技術(shù)的興起，給發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(lái)的虛擬樣機(jī)（VP）技術(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)分析開(kāi)創(chuàng)了新的紀(jì)元，目前在市場(chǎng)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(guó)MSC公司的ADAMS、比利時(shí)LMS公司的DADS、德國(guó)航天局的SIMPACK、韓國(guó)的Recurdyn等。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，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(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件的三維實(shí)體模型，然后利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)技術(shù)，搭建起整機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型。其最大優(yōu)勢(shì)在于：1）采用CAD三維實(shí)體模型用于仿真分析，避免了傳統(tǒng)算法對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化處理而引起的簡(jiǎn)化誤差；2）通過(guò)柔性化處理的主要承、傳力零部件，可真實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的彈性特質(zhì)，以計(jì)及構(gòu)件的彈性變形對(duì)激勵(lì)載荷的影響；3）基于多體系統(tǒng)的一體化仿真，可以充分計(jì)及各載荷之間的相互影響及共同作用效果。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析流程第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日車用發(fā)動(dòng)機(jī)中存在的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

連桿和活塞運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)分析

進(jìn)排氣門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，氣門(mén)與搖臂接觸力，氣門(mén)與氣門(mén)座圈接觸力以及凸輪型線的評(píng)價(jià)等等第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日某型內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)體模型多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日某型內(nèi)燃機(jī)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)VP模型多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多體系統(tǒng)動(dòng)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(yè)，共四十三頁(yè)，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(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第二十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，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(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)分析方法第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日多體系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力學(xué)VP模型第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日直列四缸柴油機(jī)整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(dòng)等第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日傳統(tǒng)方法的分析過(guò)程曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量換算機(jī)構(gòu)的力源及受力分析第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日曲柄連桿機(jī)構(gòu)第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日運(yùn)動(dòng)學(xué)分析第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的換算第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日激勵(lì)力的分析第三十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，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(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日柔性體的引入替換第三十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日激勵(lì)力與約束的施加機(jī)構(gòu)的激勵(lì)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(dòng)第三十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日計(jì)算結(jié)果1第一缸的爆發(fā)壓力第三十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日計(jì)算結(jié)果2第一缸的活塞側(cè)推力第三十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，2022年，8月28日計(jì)算結(jié)果3第一缸的曲柄銷徑向力