柴油机配气机构动力学仿真研究

同时 只能 获 得 恒 定 转 速 情 况 下 配 气 机 构 的 运 动
学、 动力 学参 数 ， 无法 模拟 出柴油机 启 动工 况及 柴
油机 故 障 ； 中通 过 在活塞 上 添加力 ， 拟发 动机 文 模
六面体 模态中 Ｉ 置边界Ｉ 性ｌ 没 网 ｆ ｌ 文件 Ｊ ｝条件 ｝ 格 ＿ ＿
２２ １ 排 气 门运 动规律 对 比 ．．
心重合 ， 使柔性体与刚性体重合 ， 然而在 网格划分
时 ， 实 体模 型有 删 减 ， 应 通过 精 确 移 动 ， 同 对 故 使
一
个 约束 副 上 ， 于不 同物 体 的两 个 点 间 距 离足 属
够小 ， 证仿 真能 够运 行 ， 保 替换 后 刚性体 上 的约束 副 、 荷 、 示 点等 会 自动 的转 移 到 柔 性体 上 ， 载 标 从
第 ４ Ｏ卷
第 ３期
船 海 工 程
ＳＨＩ 。ＯＣＥＡＮ Ｐ８ ＥＮＧＩ ＮＥＥ ＮＧ ＲＩ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ３ １４ ．
２１ ０ １年 Ｏ ６月
ＪＩ１ ０ 】 Ｉ７２ ］ ．． ／
柴 油 机 配 气 机 构 动力 学 仿 真研 究
李鹏 飞 ， 黄映 云 ， 高浩 鹏 ， 桂 东 康
（ 海军工程 大学 船 舶与动力学院， 武汉 ４０ ３ ） ３ ０ ３ 摘 要： 利用三维实体建模软件建立柴油机整机三维实体模 型 ， 于多体动力学理论 及相关软件 建立柴 基
油机的刚体 和刚柔耦 合多体动力学模 型 ； 改进边界条件 ， 柴油机配气机 构进行运动 学、 对 动力 学仿真研究 ， 获
多体 动力学 数学模 型 的建立 是 以拉格 朗 日方 程 为基础 ＿ ， ２ 刚体 的位 置 由质心 在 惯 性 参 考 系 中 ＿ 的笛 卡尔 坐标 和反 映刚体方 位 的欧拉 角或 广 义欧 拉 角作 为广义 坐标来 确定 ， 即
实体 建模 软件 ， 立 柴油 机 各 零件 的三 维 实 体模 建 型， 按照柴 油机 实 际结构位 置关 系 以及发 火顺序 、
位分别为 ｍｌ、 ｇ ＳＮ； Ｔ ｋ 、、 多体 动力学建模及具体 ｌ
的分 析步骤 见 图 １各构件 间约束关 系 见表 ｌ ， 。
柴油机配气机构动力学仿真 研究 —— 李鹏 飞， 黄映云 ， 高浩鹏 ， 康桂东
三维实ＬＪ 多刚体动Ｌ 刚柔耦合动Ｌ 仿真 ＿、 ＿Ｊ
体模型 ｒ ／力学模型ｒ 力学模型 ｒ 结果 １ｆ ＿ ＿ ＿ ｌ －
１ 建立柴油机 多体动 力学模型
１ １ 多体 系统 动力 学数 学模 型的建 立与 求解 ．
（Ｉ 描 述约束 的代 数方程 ； ｐ
（ ，） ｑ ￡一 ／ｑ ａ ～— 约束雅 可 比矩阵 。
求 解上 述微 分 方 程 ， 可得 到 系 统 中构件 上 任 意点在 任意 时刻 的位 置 、 速度 和加 速度 大小 ， 进而 可得 到构件 应变 和构件 间应 力 。 建立 柴油机 多 体 动 力学 模 型 ， 先 通 过 ｊ 维 首
收 稿 日期 ：０００—５ ２ １ ５０
修回 日期 ：０００—５ ２ １ —５２ 作者简介 ： 李鹏飞 （９ ６）男 ， １ ８一 ， 硕士生。 研究方 向： 内燃机结构强度分析及性能优化
Ｅ ｍ ｉ ｈ ｌｆ ０ ９ １ ６ ｃ ｒ － ａｌ ｇｐ ０ ＠ ２ ． ｏ ： ２ ｎ
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进 气
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图 ９ 刚 柔耦 合 模 型 进 、 气 门 与挺 柱接 触 力 排
用力 改变方 向传 给气 门使其 开启 和关 闭 。在 气 门
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图 ６ 刚体 模 型进 气 门运 动 规 律
开启 过程 时 ， 臂 与气 门 间接触 力 对 摇 臂 工作 面 摇
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图 ７ 刚 柔 耦 合 模 型 进 气 门运 动 规 律
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Ｊ 、 、Ｌ
２ ３ 凸轮 与挺柱 接触 力对 比 ．
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刚体 和刚柔 耦合模 型凸轮 与挺柱 间接 触力仿
ｑ＝Ｅ ， ，， 鲥 ｘ ，， ｑ一［ ， ， ， ］ … 根 据上 述方 法 ， 立 系统 的约 束 方程 和作 用 建
力方程 ， 系统 的运 动微 分方程 一般 形式 为
发火间隔角、 配气相位等完成柴油机整机装配 ； 然 后 借助 于无缝 接 口软件 ， 义 柴 油 机 各零 件 之 间 定
图 ２ 挺杆 、 、 进 排气 门 的 六 面 体 网格
在进 、 排气 门开 启 与关 闭 时 ， 刚柔 耦合 模 型气 门加 速 度 曲线 波动 周 期增 大 ， 是 由于考 虑 了推 杆 与 这
气 门柔性 的结 果ｌ 。 ７ ］
在 刚柔 替换 时 ， 入 的柔 性 体 的 位 置 并 不 一 读 定 是所 要 的位 置 ； 般 先将 柔 性 体 质 心 与 刚 体 质 一
式 中 ：一 一广 义坐标 列 阵 ； ｑ 奇 ～ 广 义速度 列阵 ； 一
一 一
广 义加 速度列 阵 ；
拉 格 朗 日乘 子 向量 ；
一
ｕ … 速度 右项 ；
玎一 加速 度右 项 ； 一
为分析 、 改进、 优化配气机构性能提供 了参 考数
据。
Ｆ 一
系统动力 学微 分方 程 ；
Ｆ（ ， ， ， ｆ＝Ｏ ｑ 审 ，）
Ｏ（ ￡ 一 ０ ｑ，）
Ｏ（ ， ，） ｑ 由 一 （ ￡ｑ ｌｑ 一 ０ ，） — Ｊ ，） ， （
Ｊ ｒ 一 （ 一 ｑ，）
（ ， ， 一 （ ，） 一ｑｑ 审 ￡ 一０ ｑ 口 苛，） ｑ （ ， ，）
ｒ 一 （ 寸）－ ２ 口 ／ － 一 Ｏｑ 一
图 １ 刚柔耦 合动力学建模步骤 表 １ 主要机构构件间约束关 系 构 件 曲轴 与机体 连 杆与曲轴 活塞与 连杆 约束副 构件 约束副 旋 转副 碰撞
燃烧 过 程 ， 的 大 小 是 根 据 实 验 实 测 结 果 ， 力 利用
ＡＫＩＰ Ｓ Ｌ的样条 插 值 函 数 来 实 现 ， 据 调 速 器 原 根
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图 ４ 刚 体 模 型 排 气 门运 动 规 律
１ ３１
第３ 期
船
海
工
程
第４ Ｏ卷
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图 ５ 刚 柔 耦 合 模 型 排气 门 运 动规 律
图 ８ 刚体 模 型 进 、 气 门与 挺 柱 接 触 力 排
２ ２２ 进气 门运 动规 律对 比 ．．
Ｉ
理 ， 用 ｓｅ 运 ｔｐ函数 ， 节 柴 油 机 启 动 至 稳 定 过 程 调
爆 发 压 力 的 大 小 ， 柴 油 机 转 速 在 １５ ０ｒｒｉ 使 ０ ／ ｎ ａ
（ 额定 转速 ） 下波 动 ， 而 实现 在转 速 波动下 ， 上 从 柴
旋转副 调整螺钉 与摇臂 固定副 圆柱副 摇臂与摇臂座 球铰副 摇臂与气 门
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图 ３ 柴 油机 启 动 至 额 定 工 况 转 速 变 化
２２ 进、 ． 排气 运 动规律 仿 真结 果对 比
基 于柴油 机 刚体 和 刚柔 耦 合 模 型 ， 柴 油 机 对 进 、 气 门运动 规律 进行 仿 真分 析 ， 排 排气 门刚 体和 刚柔 耦合模 型 仿真 结果 见 图 ４ ５进 气 门刚体 和 ～ ， 刚柔 耦合 模型 仿 真结果 见 图 ６ ７从 上 述 结果 可 ～ ； 以看 出进 、 排气 门两 种模 型 运动 规律 基本 相似 ， 但
配 气 机 构 动力 学 数 值 计 算 研 究 是 把 机 构 当 作 一 个 弹 性 振 动 系 统 ， 化 为 单 质 量 或 多 质 量 简 模 型 ［ 这 种 方 法 的 优 点 在 于 简 单 且 能 够 满 足 ， 描述 气 门运 动 规 律 的 要 求 ； 对 于 需 要 全 面 地 但 反 映 出各 构 件 的 运 动 关 系 、 互 作 用 力 以 及 构 相 件 的 弹性 变形 等 ， 方 法 均 无 法 满 足 ， 此 同时 建 立 方 程 时 ， 多 参 数 如 质 量 、 动 惯 量 等 需 要 通 过 诸 转 实 验或 计 算 获得 ； 大 了建 模 的难 度 、 作 量 及 加 工 计 算 的精 度 ； 中基 于 多 体 动力 学 方 法 ， 立 了 文 建 某 型 柴油 机 的整 机 模 型 ， 进 边 界 ， 行 仿 真 研 改 进 究， 获得 了配 气 机 构 的运 动 学 、 力 学 等 参 数 ， 动
油机 配气 机构 动力 学仿 真 。
活塞 与机体
机体 与大地 凸轮轴 与曲轴 凸轮与挺柱 挺柱与机体 调整螺钉与推杆
移动副 气 门与气 门导管
固定副 气 门与气 门座 齿轮副 气 门与上弹簧座 线线副 推杆与挺柱 圆柱副 球 铰副 弹簧座
圆柱副
碰撞 固定副 球 铰副 弹簧
而建 立柴 油机 刚柔 耦合 多体 动 力学模 型 。
１ ２ 边 界条 件 的施 加 ．
０
通 常在 配气 机 构 动力 学 仿 真 研 究 中 ， 建 立 仅
配气机构多体动力学模型 ， 边界条件的添加采用 在 凸轮轴 上 添加 恒 定 转 速 ， 方 法 存 在诸 多局 限 该 性， 具体表现在把动力学问题退化为运动学问题 ，
的约束 副 、 、 触 以及 相 关 的标 示 点 等 ； 力 接 在数 据 交 换时 ， 确保 软件 之 间单位 的一致 性【 ， 要 ＿ 即建 模 ３ ］ 软件 中长度 、 质量 、 时间 的单位 分别 为 ｍｍ、ｇ Ｓ ｋ 、， 而在 多体 动 力 学软 件 中长 度 、 量 、 间 、 的单 质 时 力
２ 配 气机 构 动 力 学仿 真 结 果及 分析
２ １ 柴油 机启 动至 额定 工 况转 速变 化 ．
根 据前 述原 理 ， 柴油 机 启 动 至 额 定 工 ７ 转 兕下 速 变化 情况 见 图 ３ 。
上弹簧座 与下 线性
将 需 要 离 散化 的挺 杆 、 、 气 门实 体模 型 ， 进 排 导入 到 网格 划分 软 件 中 ， 成 较 规 整 的 六 面体 网 形 格 单 元 ， 后 导 人有 限元 软 件 中 ， 然 进行 前 处 理 ， 主 要 包 括 定 义 材 料 属 性 、 元 属 性 、 点 约 束 单 多 （ Ｃ ［等 ， 计 算 ， 得 包含 模 态信 息 的模 态 ＭＰ ）６ 通过 １ 获 中型文件 。挺杆 、 、 进 排气 门的六 面体 网格见 图 ２ 。
和气 门尾端 面 磨损 影 响较 大 。图 ｌ ～ １ Ｏ １分别 是
刚体 模 型和刚 柔耦 合 模 型 摇臂 与气 门间 接触 力 ， 刚柔 耦合模 型 结果 略 小 于 刚体 模 型 结 果 ， 同时摇
３７ １ ５ ０
一
臂一 气 门间接 触力 曲线 与凸轮 一挺柱 间接 触力 曲 线形 状相 似 ， 只是 幅值 存在 差别 ， ９幅值 约为 图 图 １ 的 １ ５ （ 臂 比） １ ． ７倍 摇 。
得 了转速波动的柴油机配气机构性能参数 ； 比刚体与刚柔耦合 动力学模 型的仿真结果 ， 对 发现 刚柔 耦合动力
学模型的仿真结果更合理 。 关键词 ： 柴油机 ； 配气机构 ； 转速波动 ； 刚柔耦 合
中 图分 类 号 ： ６ ． ２ Ｕ６４ １ １ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １７ ５ （０ １０ —１００ １ ７ —９ ３ ２ １ ） ３０ ３ —４
真结 果见 图 ８ 。可 以看 出 ， ～９ 刚柔 耦合 模 型 结果
图 ｌ 刚体 模 型 摇 臂 与 气 门 间接 触 力 ０
与 刚体模 型结 果 基本 一 致 ， 刚柔 耦合 模 型接 触 力 波 动周 期 略 微增 大 ， 触 力 值 略 微 减 小 ， 是 推 接 这