基于非線性動力學的曲柄連桿機構運動特性仿真

徐 琛，柏祥華

（海軍駐南京地區航天機電系統軍事代表室，江蘇 南京 210006）

基于非線性動力學的曲柄連桿機構運動特性仿真

徐 琛，柏祥華

（海軍駐南京地區航天機電系統軍事代表室，江蘇 南京 210006）

在ANSYS10/LS-DYNA中，通過氣缸套約束活塞，考慮活塞橫向位移和各部件的彈性變形，考慮各運動副之間摩擦力，進行了剛柔耦合的運動學仿真分析。此方法能夠有效考慮彈性形變對各部件運動的影響，克服了以往仿真中通過約束橫向位移的方法約束活塞所帶來的誤差，使宏觀運動描述更為精確。并且考慮了活塞與氣缸套之間的間隙，因此也能描述活塞的二階運動情況。

曲柄連桿機構；剛柔耦合；活塞二階運動

0 引言

活塞組件、連桿組件及曲軸的運動構成了曲柄連桿機構的運動。研究各組件的運動規律主要是研究其位移、轉速等參數直接的關系。而研究曲柄連桿機構的運動學與動力學主要有質點力系和虛擬樣機兩種方法。質點力系分析法主要是當量化曲柄連桿機構的各個組件，然后將各個當量化的質點通過剛性桿連接[1]。此分析法簡單易懂，但由于忽略了曲柄連桿機構各部件的彈性，使得求解會產生誤差，因而此方法僅用于簡單的工程分析中。但隨著科技的發展，為了滿足發動機CAE設計的要求，這就需要仿真計算的不斷創新。本文通過ANSYS/LS-DYNA仿真，考慮到各部件的彈性變形和振動情況，并通過缸套來施加約束，這樣更接近于實際工作情況。

1 TBD620柴油機曲柄連桿機構運動學計算

如圖 1所示，由內燃機動力學可以得到活塞的位移、速度、加速度隨曲柄轉角α的精確公式和近似公式如下[2]：

活塞位移精確公式：

活塞位移近似公式：

活塞速度的精確公式：

活塞速度的近似公式：

活塞加速度的精確計算公式：

活塞加速度的近似計算公式：

圖1 曲柄連桿機構工作簡圖

以TBD620活塞為例，其曲柄連桿機構參數如表1所示。根據以上精確公式及近似公式可以得到活塞的運動規律隨曲柄轉角的變化圖，如圖2～5所示。

表1 TBD620柴油機曲柄連桿機構參數

圖2 活塞位移曲線圖

圖3 活塞速度曲線圖

圖4 活塞位移曲線圖

2 基于LS-Dyna的曲柄連桿機構動力學計算

2.1 有限元模型設置

TBD620柴油機的活塞、連桿、曲軸的3D模型由PRO-E建立，其有限元模型如圖6所示。

圖6 曲柄連桿機構在ANSYS10/LS-DYNA中模型

在PRO-E實體建模過程中，為使有限元模型更加合理，在不影響曲柄連桿機構整體運動學的基礎上，對機構各部件進行適當化簡，如去掉活塞頂部錐形突起，并去除倒角，油孔等細節特征[3-4]。

圖6所示的有限元模型包括了缸套、活塞、連桿、活塞銷、小端襯套、軸瓦及曲軸 7個部分；而在實際分析過程中，根據去接觸形式，設置 6對接觸對：活塞-缸套、活塞-曲柄銷、曲柄銷-小端襯套、小端襯套-連桿、連桿-軸瓦、軸瓦-曲柄銷。分析過程中，將曲軸設置為剛體，而其他各部件均設置為彈性體。并配缸間隙，將活塞與缸套之間的間隙設置為0.5mm。

2.2 摩擦力的加載

以上 6對接觸對根據其實際運動接觸形式，設置為自動面-面接觸。而接觸的摩擦系數與靜摩擦系數、動摩擦系數和衰減系數[5]的關系為：

式中：FS為靜摩擦系數；FD為動摩擦系數；DC為指數衰減系數組成；V為接觸兩表面的相對速度。而由于各摩擦副間充分潤滑，根據液壓潤滑理論，摩擦系數不大于0.05。

2.3 約束與加載

根據活塞組件、連桿組件的運動規律將氣缸進行完全固定。曲軸定義為繞Z軸的轉動，沒有平動。其他部件的運動由曲軸帶動。 在1860r/min的轉速下，將求解時間設置為0.0645s，即曲軸轉過兩圈，四個沖程。機構在LS-DYNA中的示意圖如圖7所示。

圖7 機構在LS-DYNA中示意圖

在活塞上選取一點，見圖8，得到其位移，速度，加速度。活塞的橫向位移曲線，如圖9所示。

圖8 活塞上所選一點示意圖

圖9 活塞橫向位移圖

由于理論計算時和仿真計算時所選的正方向不一致，因此將理論計算與仿真計算結果統一正方向進行比對(圖10、11)。并通過計算得到連桿與中心線的夾角曲線(圖12)，并與理論計算進行了對比。

圖10 活塞位移仿真與理論的對比曲線

圖11 活塞速仿真與理論的對比曲線

圖12 連桿與中心線夾角隨曲柄轉角變化曲線

3 結論

1）本文通過 PRO-E三維實體建模，建立了一個包括氣缸套在內的曲柄連桿機構計算；在LS-Dyna中，仿真得到的位移、速度、連桿與中心線夾角曲線，與理論計算得到曲線對比,可以發現通過仿真計算得到的結果考慮了活塞的橫向運動、摩擦力、各部件的彈性變形，克服了以往質點力系法過于簡化造成的誤差，以及一般剛體仿真所忽略的彈性變形以及振動，其結果更近似于曲柄連桿機構的真實運動。

2）由于是實體建模，活塞和氣缸之間存在間隙，因此可以得知活塞的橫向運動軌跡，并為進一步研究活塞二階運動做了鋪墊。

[1] 賈錫印. 船用內燃機結構[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社,1990: 28-57.

[2] 王志成, 卞明, 高宏閣. 曲軸強度有限元分析[J].小型內燃機與摩托車, 2009, 38(3): 23-26.

[3] 陳樂生, 王以倫.多剛體動力學基礎[M]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社, 1995.

[4] 張勁夫,秦為陽. 高等動力學[M].北京：科學出版社,2004.

[5] Oh K P, Goenka P K. The elasohydro-dynamic solution of a journal bearing under dynamic loading[J]. ASME Journal of Tribology, 1985, 36:389-395.

大連中遠船務精修“渤海9號”鉆井平臺獲贊譽

日前，中海油田服務股份有限公司的“渤海9號”自升式鉆井平臺在大連中遠船務工程有限公司順利完成各項維修工程，再次奔赴渤海灣作業區域，開始新的“征程”?！安澈?9號”海上石油鉆井平臺長 76米，寬46.6米，高78.6米，鉆井能力為6000米，于1984年投入渤海灣進行石油勘探作業。該平臺此次修理工程主要包括16個液壓缸拆檢修理，65米高的樁腿腳手架搭設，生活區部分房間改造，船體結構換新，泥漿池、干隔艙、井架底座整體噴砂、噴漆及機艙大部分油水管系更換等，總維修期為41天。

為了高質量完成修理工程，在該平臺進廠前，大連中遠船務修船工程部做足了材料、場地、人員等準備工作，并多次召開生產準備會，與船東共同研究修理方案。各車間也提前做了人員安排和生產策劃，以保證各項維修工作順利進行，并確保關鍵工程24小時不間斷施工。最終，經過各方共同努力，大連中遠船務圓滿完成了“渤海9號”的全部維修工程。

（王卓）

Motion Characteristic Simulation of Crank and Connecting Rod Mechanism Based on Nonlinear Dynamics

XU Chen, Bai Xiang-hua
(Navy Representative Office of Aerospace Mechanical and Electrical System in Nanjing District,Nanjing 210006, China)

Through the cylinder sleeve confined piston，considering the lateral displacement of the piston and the elastic deformation of components, and the friction between the motion pairs, the kinematics of rigid flexible coupling is simulated in ANSYS10/LS-DYNA. This method can effectively consider the effect of elastic deformation on motion of components, overcome the errors caused by restraining the piston restraining and the lateral displacement, and make macro-motion description more accurate. And the clearance between the piston and the cylinder sleeve is considered, so it can also describe two orders motion of the piston.

crank and connecting rod mechanism; rigid flexible coupling; two orders motion of piston

TB132

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.011

徐琛（1981-），男，工程師，碩士研究生。研究方向：艦船機電工程。