某臥式單缸柴油機氣缸系統的運動仿真分析

余東滿 李曉靜

摘要：以某農機臥式單缸柴油機氣缸曲軸系統模型為例進行運動分析，在耐久性模塊下完成仿真后，采用后處理模塊進行數據的后處理。從應力云圖中找到氣缸系統的最大應力，從應變云圖中找到系統的最大應變。結合FFT曲線圖及3DFFT曲線圖進行分析，發現樣機模型中曲軸的譜密度幅值的峰值分別發生在55、128和200 Hz處，連桿譜密度幅值的最大峰值發生在175 Hz處，較小峰值發生在50、90和125 Hz處。研究結果可為模型系統性能的研究提供一定的依據。

關鍵詞：虛擬樣機;運動仿真;傅里葉變換分析

中圖分類號：TK42 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）23-6030-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.060

Motion Simulation Analyses for Cylinder System of Horizontal Single Cylinder Diesel

YU Dong-man，LI Xiao-jing

（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，Henan，China）

Abstract： A model of cylinder crankshaft system in single cylinder diesel was selected as an example to study motion analysis，after completing the simulation operation in Adams/Durability module，the data were processed in Adams/Postprocessor module. The maximum stress of the cylinder system was found from the stress nephogram， and the maximum strain for the system found from the strain contours. Combining with the FFT graph and 3DFFT graph， it was found that the peak value of spectral density for the crankshaft occurred at 55，128 and 200 Hz in the dynamic model， the maximum peak of amplitude spectrum density for connecting rod occurred at 175 Hz，the smaller peak value occurred at 50，90 and 125 Hz，which could provide some references for the study of model system performance.

Key words： virtual prototype; motion simulation; Fourier transform analysis

農業機械的動力多選用臥式單缸四沖程柴油機。氣缸是發動機的核心，為了保證密封效果，在密封面安裝有襯墊，活塞在缸套內以低副形式滑動。曲軸限制在軸承座內實現高速運動，將活塞的直線往復運動轉化為圓周旋轉運動。氣缸元器件的結構設計直接影響農機工作系統的穩定性，有缺陷的氣缸結構可能會導致功能失效，甚至重大損失[1]。有限元法是一種多物理場分析技術，能夠對農機的各類工程問題進行計算和分析。采用有限元分析的方法對氣缸元器件進行分析有助于驗證設計質量，提高系統可靠度[2]。使用Adams等系統仿真軟件，可以在各種虛擬環境中真實地模擬系統的運動，不斷修改設計缺陷以改進系統，直到獲得最優設計方案，最終做出比較理想的物理樣機。Adams軟件是由美國MSC公司開發的機械系統動態仿真軟件，廣泛應用于工程機械、農業機械、汽車制造、鐵路車輛等領域[3]。

仿真分析可以減少物理試驗，避免設計和加工改變而導致的重大損失。通過模擬優化物理試驗載荷譜，大幅減少試驗時間和成本。通過產品設計中對動力性和耐久性的考慮，降低用戶保修成本[4]。氣缸體和曲軸系統的工作條件十分惡劣。壓力和溫度等參數的劇烈變化以及機械運動的強烈摩擦會降低產品的使用壽命。因此，它應具有足夠的機械穩定性和使用壽命。為此，本研究以某農機臥式單缸柴油機氣缸曲軸的虛擬模型為研究對象，開展運動分析，查看模型的應力和應變信息以及運動過程中的振動特性[5]。

1 ?建立樣機模型

在Solidworks軟件中建立氣缸曲軸樣機的三維模型（圖1），導入Adams軟件環境中。該樣機模型包括氣缸、連桿、曲軸和虛件4部分。模型中各個部件之間的副約束定義如下：曲軸和虛件、地面和曲軸以及氣缸和連桿，這3個部件為球副約束;地面和虛件之間為固定副約束;氣缸和地面之間為滑移副約束;曲軸和連桿之間為旋轉副約束。在虛件位置建立樣機的驅動（Impose motion），定義驅動過程的運行時間函數為step（time，0，0，0.05，32 000 d）。在Adams軟件界面加載耐久性分析模塊（Adams/Durability），通過仿真選項Simulation進入仿真對話框，設置結束時間End Time為1，設置仿真步長Steps為500。

2 ?仿真結果的后處理

Adams配置了若干工具包用于對曲線圖的處理。在Adams的后處理環境中，可以完成4種模式的處理：Ploting（繪制曲線圖）、Animation（仿真動畫）、Report（報告）、3DPloting（三維曲線）。實現虛擬動畫演示、模型運動過程的展示、干涉間隙計算與預警等。數據曲線結果的處理一般包括濾波、快速傅里葉變換（FFT）和創建伯德圖。可以利用輸入試驗數據并繪圖來對比模擬分析結果的準確性。

2.1 ?曲線數據處理

為了清楚模型的特性，一般要將運算結果以曲線圖的形式描繪出來。Adams/Postprocessor仿真繪出模型運算的曲線圖，并完成干涉檢查等事項，將運算結果以特定的測量方式或圖線形式繪制出來。

Adams/Postprocessor 配置了系列工具用來按用戶需求處理模型曲線圖，選擇“View/Toolbar”菜單項，彈出快捷菜單。其中"Curve Edit Toolbar"命令可以展示曲線編輯和運算工具條。“Statistics Toolbar”能夠顯示曲線統計運算結果工具條。曲線統計運算結果工具條表示出當前數據點的坐標位置等信息。

2.2 ?曲線數據濾波

消除時域信號中噪聲的主要方法是對曲線數據進行濾波，或者強調信號中特定的頻域分量。Adams/Postprocessor采用了兩種濾波類型，第一種采用Math Works公司開發的Matlab軟件中的Butterworth濾波，第二種是直接指定傳遞函數。濾波方法分為連續濾波和離散濾波。連續濾波將時域信號通過快速傅里葉變換轉化到頻域，然后將結果函數與濾波函數相乘，再進行逆傅里葉變換。離散濾波直接針對時域信號進行離散濾波操作，在指定時間步長上濾波后的信號是由前面的輸入、輸出信號和離散傳遞函數經計算得出的。

2.3 ?快速傅里葉變換

快速傅里葉變換（FFT）是一種數學運算方法，主要目的是將時域函數映射到正弦分量上[4]。該變換過程中的時間是主要的變量，完成函數向頻域的轉換過程，將頻率部分分離出來并以正弦分量方式表現。Adams/Postprocessor包含FFTMAG法、FFTPHASE法和PSD法。FFTMAG確定FFT算法求出的復數結果的絕對值，后處理模塊中橫向X軸用頻率表示，縱向Y軸是以復數形式表達左半邊的頻譜，右半邊的頻譜和左半邊的頻譜互相對稱。FFTPHASE確定標準算法求FFT復數形式的相位角，在特定頻率位置給出時域形式數據的相位差，該相位差以等效的正弦函數方式表示。理論上講，所有以時間為模型的信號，它們的時域和頻域都會有同樣大小的功率，關注譜分析就是研究頻率間隔，包含有功率的成分。PSD曲線通常看上去和FFTMAG曲線相似，但具有不同比例。

3 ?樣機仿真分析

3.1 ?仿真后處理過程

在加載完成耐久性模塊Adams/Durability并完成仿真之后，進入后處理程序Adams/Postprocessor。在“File”菜單下方，單擊下拉箭頭，從彈出的下拉列表中選擇“Animation”。右鍵單擊圖形的空白區域，從彈出的窗口中選擇“Load Animation”，加載仿真動畫。

3.2 ?生成等效應力和等效應變圖

先運行仿真動畫，確定在合適的時間選擇等效應力和等效應變。單擊“Animation”項目顯示仿真對話框，在對話欄中單擊運行仿真按鈕，系統開始運行仿真。在第0.638 s時暫停仿真過程。

查看應力和應變結果。首先查看應力，單擊仿真界面下方的“Contour Plots”按鈕，系統彈出應力和應變設置對話欄。對云圖類型選項“Contour Plot Type”列表中，選擇等效應力“Von Mises Stress”，單擊圖例位置“Lengend Place”下拉列表，選擇左側“Left”，其余參數采用默認。圖2顯示第0.638 s時系統的等效應力云圖。再查看應變，單擊仿真界面下方的“Contour Plots”按鈕，系統彈出應力和應變設置對話欄。對云圖類型選項“Contour Plot Type”列表中，選擇等效應變“Von Mises Strain”，單擊圖例位置“Lengend Place”下拉列表，選擇左側“Left”，其余參數采用默認。圖3顯示第0.638 s時系統的等效應變云圖。

從應力云圖中看到，曲軸系統的最大應力為555.73 MPa，已經超出材料許用應力。通常情況下，機械結構系統的強度設計遵循彈性失效形式的破壞規則，也就是結構中的薄膜應力小于金屬材料的許用應力。結構中的薄膜應力、彎曲應力存在局部性特點和不均勻的特性。如果金屬部件中的最大應力超出了材料的屈服強度，也只是造成特定部位的屈服，非作用部位依然保持彈性變形特性，而且對局部的屈服現象有制約，不會導致結構系統的全局破壞。因此，在結構設計過程中按照彈性準則進行。允許局部薄膜應力、彎曲應力在較大的范圍內變化，也即許可局部較大的塑性變形，這就是“塑性失效設計準則”。從應變云圖中看出系統的最大應變為5.33E-3。

單擊“File”菜單下方的下拉框，從中選擇繪圖“Plot”。在資源“Source”欄目中選擇對象“Object”，在模型“Model”欄中選擇曲軸系統“Crankshaft”，在過濾器“Filter”欄中選擇“Body”，在對象“Object”欄中選擇曲軸“shaft”，在特征“Characteristic”欄目中單擊“CM_Acceleration”，在分量“Component”欄中選擇顯示形式“Mag”，則系統顯示出零部件曲軸的加速度曲線。依同樣的方法可以顯示出零部件連桿的加速度曲線。

3.3 ?快速傅里葉變換

一般情況下，要對上面步驟生成的曲線圖進行一些特殊操作。在平順性研究中，往往需要對時域數據進行FFT變換，即快速傅里葉變換以轉化到頻域，通過頻域的特性能夠更直觀地了解振動能量的頻率分布，掌握系統的振動特性。

在菜單欄的“Plot”選項下選中“FFT”，出現“FFT”對話框，設定結束時間為3 s，并完成其余參數，然后選擇“Apply”按鈕。最后得到加速度的“FFT”曲線。圖4為曲軸的加速度曲線及傅里葉變換曲線圖，圖5為連桿的加速度曲線及傅里葉變換曲線圖。從圖4可以看出氣缸曲軸系統運動過程中，在曲軸的加速度曲線圖中有3個較大的波峰，從圖5可以看出，在連桿的加速度曲線圖中有1個較大的波峰和3個較小的波峰。

3.4 ?曲線圖結果分析

單擊菜單選項“Plot”左鍵選中，系統彈出三維快速傅里葉變換對話框，對FFT 3D對話框進行參數設置后，單擊“Apply”按鈕生成3DFFT曲線圖，即三維快速傅里葉變換曲線圖，如圖6和圖7所示。圖6是曲軸加速度的三維傅里葉變換圖，圖7是連桿加速度的三維傅里葉變換圖。由FFT曲線圖及3DFFT曲線圖綜合分析，如上所述加速度的頻率特性中，曲軸的譜密度幅值的峰值分別發生在55、128和200 Hz處，連桿譜密度幅值的最大峰值發生在175 Hz處，較小峰值發生在50、90和125 Hz處。據此可進行其他特性的分析，以研究模型系統的性能。

4 ?小結

以某農機臥式單缸柴油機氣缸曲軸系統虛擬樣機模型為例進行運動分析，在耐久性模塊Adams/Durability下完成仿真之后，采用Adams Postprocessor進行數據的后處理，研究仿真分析過程。從應力云圖中看到曲軸系統的最大應力為555.73 MPa，已經超出許用應力，但只能引起某個局部發生屈服，不會造成整體失效。從應變云圖中看出系統的最大應變為5.33E-3。

由FFT曲線圖及3DFFT曲線圖進行分析，發現動力學模型曲軸的譜密度幅值的峰值分別發生在55、128和200 Hz處，連桿譜密度幅值的最大峰值發生在175 Hz處，較小峰值發生在50、90和125 Hz處，試驗結果可為模型系統性能的研究提供一定的依據。

參考文獻：

[1] 劉亞霞.ADAMS 2012虛擬樣機從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2] 郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3] 劉文杰，胡基才，肖曉輝，等.基于ADAMS的架空導線非線性振動動態仿真[J].機械與電子，2004（11）：67-68.

[4] 陳峰華.ADAMS 2012虛擬樣機技術從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2013.

[5] 陳志華.MSC Adams多體動力學仿真基礎與實例解析[M].北京：中國水利水電出版社，2012.