徐 琛，柏祥華

（海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)軍事代表室，江蘇 南京 210006）

基于非線性動(dòng)力學(xué)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性仿真

徐 琛，柏祥華

（海軍駐南京地區(qū)航天機(jī)電系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)副之間摩擦力，進(jìn)行了剛?cè)狁詈系倪\(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。此方法能夠有效考慮彈性形變對(duì)各部件運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)情況。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)；剛?cè)狁詈希换钊A運(yùn)動(dòng)

0 引言

活塞組件、連桿組件及曲軸的運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。研究各組件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律主要是研究其位移、轉(zhuǎn)速等參數(shù)直接的關(guān)系。而研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)主要有質(zhì)點(diǎn)力系和虛擬樣機(jī)兩種方法。質(zhì)點(diǎn)力系分析法主要是當(dāng)量化曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各個(gè)組件，然后將各個(gè)當(dāng)量化的質(zhì)點(diǎn)通過剛性桿連接[1]。此分析法簡(jiǎn)單易懂，但由于忽略了曲柄連桿機(jī)構(gòu)各部件的彈性，使得求解會(huì)產(chǎn)生誤差，因而此方法僅用于簡(jiǎn)單的工程分析中。但隨著科技的發(fā)展，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)CAE設(shè)計(jì)的要求，這就需要仿真計(jì)算的不斷創(chuàng)新。本文通過ANSYS/LS-DYNA仿真，考慮到各部件的彈性變形和振動(dòng)情況，并通過缸套來施加約束，這樣更接近于實(shí)際工作情況。

1 TBD620柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

如圖 1所示，由內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)可以得到活塞的位移、速度、加速度隨曲柄轉(zhuǎn)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(jì)算公式：

活塞加速度的近似計(jì)算公式：

圖1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)工作簡(jiǎn)圖

以TBD620活塞為例，其曲柄連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)如表1所示。根據(jù)以上精確公式及近似公式可以得到活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化圖，如圖2～5所示。

表1 TBD620柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)

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(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算

2.1 有限元模型設(shè)置

TBD620柴油機(jī)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(jī)構(gòu)在ANSYS10/LS-DYNA中模型

在PRO-E實(shí)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(jī)構(gòu)整體運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)構(gòu)各部件進(jìn)行適當(dāng)化簡(jiǎn)，如去掉活塞頂部錐形突起，并去除倒角，油孔等細(xì)節(jié)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(gè)部分；而在實(shí)際分析過程中，根據(jù)去接觸形式，設(shè)置 6對(duì)接觸對(duì)：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(shè)置為剛體，而其他各部件均設(shè)置為彈性體。并配缸間隙，將活塞與缸套之間的間隙設(shè)置為0.5mm。

2.2 摩擦力的加載

以上 6對(duì)接觸對(duì)根據(jù)其實(shí)際運(yùn)動(dòng)接觸形式，設(shè)置為自動(dòng)面-面接觸。而接觸的摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)和衰減系數(shù)[5]的關(guān)系為：

式中：FS為靜摩擦系數(shù)；FD為動(dòng)摩擦系數(shù)；DC為指數(shù)衰減系數(shù)組成；V為接觸兩表面的相對(duì)速度。而由于各摩擦副間充分潤(rùn)滑，根據(jù)液壓潤(rùn)滑理論，摩擦系數(shù)不大于0.05。

2.3 約束與加載

根據(jù)活塞組件、連桿組件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律將氣缸進(jìn)行完全固定。曲軸定義為繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有平動(dòng)。其他部件的運(yùn)動(dòng)由曲軸帶動(dòng)。 在1860r/min的轉(zhuǎn)速下，將求解時(shí)間設(shè)置為0.0645s，即曲軸轉(zhuǎn)過兩圈，四個(gè)沖程。機(jī)構(gòu)在LS-DYNA中的示意圖如圖7所示。

圖7 機(jī)構(gòu)在LS-DYNA中示意圖

在活塞上選取一點(diǎn)，見圖8，得到其位移，速度，加速度?；钊臋M向位移曲線，如圖9所示。

圖8 活塞上所選一點(diǎn)示意圖

圖9 活塞橫向位移圖

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

圖10 活塞位移仿真與理論的對(duì)比曲線

圖11 活塞速仿真與理論的對(duì)比曲線

圖12 連桿與中心線夾角隨曲柄轉(zhuǎn)角變化曲線

3 結(jié)論

1）本文通過 PRO-E三維實(shí)體建模，建立了一個(gè)包括氣缸套在內(nèi)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)計(jì)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(jì)算得到曲線對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)通過仿真計(jì)算得到的結(jié)果考慮了活塞的橫向運(yùn)動(dòng)、摩擦力、各部件的彈性變形，克服了以往質(zhì)點(diǎn)力系法過于簡(jiǎn)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(dòng)，其結(jié)果更近似于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。

2）由于是實(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡，并為進(jìn)一步研究活塞二階運(yùn)動(dòng)做了鋪墊。

[1] 賈錫印. 船用內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社,1990: 28-57.

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

[3] 陳樂生, 王以倫.多剛體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社, 1995.

[4] 張勁夫,秦為陽(yáng). 高等動(dòng)力學(xué)[M].北京：科學(xué)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(yuǎn)船務(wù)精修“渤海9號(hào)”鉆井平臺(tái)獲贊譽(yù)

日前，中海油田服務(wù)股份有限公司的“渤海9號(hào)”自升式鉆井平臺(tái)在大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司順利完成各項(xiàng)維修工程，再次奔赴渤海灣作業(yè)區(qū)域，開始新的“征程”?！安澈?9號(hào)”海上石油鉆井平臺(tái)長(zhǎng) 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(jìn)行石油勘探作業(yè)。該平臺(tái)此次修理工程主要包括16個(gè)液壓缸拆檢修理，65米高的樁腿腳手架搭設(shè)，生活區(qū)部分房間改造，船體結(jié)構(gòu)換新，泥漿池、干隔艙、井架底座整體噴砂、噴漆及機(jī)艙大部分油水管系更換等，總維修期為41天。

為了高質(zhì)量完成修理工程，在該平臺(tái)進(jìn)廠前，大連中遠(yuǎn)船務(wù)修船工程部做足了材料、場(chǎng)地、人員等準(zhǔn)備工作，并多次召開生產(chǎn)準(zhǔn)備會(huì)，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(chǎn)策劃，以保證各項(xiàng)維修工作順利進(jìn)行，并確保關(guān)鍵工程24小時(shí)不間斷施工。最終，經(jīng)過各方共同努力，大連中遠(yuǎn)船務(wù)圓滿完成了“渤海9號(hào)”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(jī)電工程。