内燃机系统动力学仿真

内燃机系统动力学仿真

信息来源：轻型汽车技术

一、引言

汽车内燃机作为整车研发中技术含量最高、最核心的技术，开发目标的要求和难度越来越高。为满足现代汽车内燃机工业的发展需要，必须对传统的以经验加试验的设计方法进行改进。近年来，虚拟样机技术在内燃机领域获得了越来越广泛的应用。ADAMS（Automatic Dynamic Analysisof Mechanical System）是美国MDI公司（2002年被MSC收购）研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机专业软件。现在世界上主要汽车制造商都在应用ADAMS数字化虚拟样机软件，它可仿真任何运动系统。ADAMS虚拟样机技术的基本应用过程如图1所示。本文初步实现其中的前期处理部分，通过建立内燃机的虚拟样机模型，利用ADAMS软件对其进行了动力学仿真分析，仿真结果与客观实际相符。本文应用虚拟样机技术对内燃机模型进行动力学仿真，为汽车内燃机的设计提供了新思路。

二、内燃机虚拟样机建模

（一）将三维模型导入ADAMS仿真环境

本文采用美国PTC公司的Pro/E作为建模软件，建立的内燃机主体三维模型如图2所示。然后利用ADAMS/Exchange模块将在Pro/E中装配好的内燃机模型导入ADAMS/View环境下（先将文件转换为.igs格式），在这个过程中内燃机各个零件之间的装配关系是保持不变的，建立的虚拟样机如图3所示。

（二）2.2材料设置及运动副的施加

将三维模型导入ADAMS后，需对模型赋予材料属性，力学属性，再根据实际的运动学关系对发动机模型主要部件之间施加约束，定义构件运动的初始条件，将其定义为机械系统仿真模型，进行系统动力学仿真。

本文创建活塞零件材料为铝合金，其密度和弹性模量设置如图4所示，同理给连杆、曲轴、气阀和凸轮轴设置材料属性。使用ADAMS/View中的约束库在零件之间创建约束副（Constraint），以确定零件之间的连接情况以及零件之间是如何相对运动的。

1.将气缸盖与气缸体定义为固定体，与大地（ground）相联；

2.凸轮轴与气缸盖之间的旋转副（RevoluteJoint）；

3.凸轮轴与气阀之间定义为固体与固体接触（Contact-SolidtoSolid）；

4.四个气阀与气缸盖之间的移动副（TranslationalJoint）；

5.活塞与气缸体之间的移动副；

6.活塞销与连杆小头之间的旋转副；

7.连杆大头与曲柄之间的旋转副；

8.曲轴与气缸体之间的旋转副。

（三）载荷的施加

载荷的施加包括定义气缸对活塞的压力、气阀杆顶端和气缸盖之间的弹簧力、凸轮和气阀之间加入面-面接触力、重力加速度。其中，根据气缸内流体动力学数值仿真结果，利用一个工作循环内的缸内压强数据，可以得到气缸内压强曲线（DataSpline）SPLINE_fpiston，如图5所示。图中自变量X表示时间（单位为毫秒），因变量Y表示气缸内气体压强（单位为105帕）。活塞所受的总的气体平均压力为活塞上、下两侧空间内的气体压强差与活塞截面积的乘积。在ADAMS中燃气压力采用Spline函数进行曲线定义，采用AKISPL函数式进行表达。

三、测试和验证模型

创建完模型后，可以对模型进行运动仿真，通过测试整个模型或模型的一部分以验证其运动的正确性。在对模型进行仿真的过程中，ADAMS/View自动计算模型的运动特性和力学特性，如距离、速度、加速度、力、力矩等信息。

（一）创建驱动（Motion）

创建旋转驱动MOTION_crank，将它应用于曲轴与气缸体之间的旋转副

JOINT_revcrank。设置发动机以恒定转速运行，转速为3000rpm；设置仿真步长为0.1ms，仿真时间为40ms，即发动机的一个工作循环，仿真类型为动力学仿真（Dynamic）。

（二）创建测量（Measure）

1.曲轴转角和连杆摆角

利用函数创建曲轴转角（rotate_angle）的测量参数，输入参数表达式0.1PItime；利用角度测量方法（BuildMeasureAngle）创建连杆摆角（tilt_angle）的测量。

2.活塞所受合力及发动机的指示转矩

当不考虑与气缸壁的摩擦力时，活塞所受合力为作用于活塞上的气体压力和惯性力，由于作用方向都是沿气缸中心线，故作用于活塞上的合力是气体压力与往复惯性力的代数和，所以合力的参数表达式

为：.engine.piston_gas_force+.engine.piston_inertia_force合力将在曲柄连杆机构中产生一系列的力和力矩。如图6所示，可以将合力F进行分解以分析力的传递效果。发动机指示转矩（indicate_torque）的参数表达式为：ABS

（.engine.piston_total_force30（sin

（（.engine.rotate_angle+.engine.tilt_angle）PI/180）/（cos

（.engine.tilt_anglePI/180））））。

四、仿真结果及分析

创建完成虚拟样机系统模型后，可用ADAMS/View中的Simulation/Controls对发动机主运动系统进行动力学仿真。仿真时ADAMS/View调用ADAMS/Solver进行求解。在仿真开始前，ADAMS/Solver根据模型的自由度判断是进行运动学仿真还是动力学仿真。如果整个模型的自由度为0，则进行运动学仿真;如果整个模型的自由度为1或者大于1，则进行动力学仿真。ADAMS提供了ADAMS/PostProcessor以提高ADAMS仿真结果的处理能力。仿真结束后可以得到模型的所有测量参数及ADAMS预设的动力学参数的变化曲线。如图7至图11所示，在曲轴以3000rpm保持匀速时，活塞和连杆的动力学特性曲线完全符合平衡状态下的物理规律。活塞速度峰值约为9.8m/s，加速度出现两个峰值，分别约为3700m/s2和2250m/s2；活塞所受合力的变化范围大致是-170000N～4000N；连杆的摆角峰值为±15°，呈正弦曲线变化；当气缸工作在燃烧阶段出现尖峰压力时，内燃机的输出指示转矩也达到最大，最大值约为180Nm，并在其他时刻有小幅波动。可以非常直观地看出，活塞的加速度曲线及其往复惯性力曲线、连杆摆角曲线及其动力学特性曲线都是呈周期性变化的。仿真分析结果可以作为发动机进一步性能优化设计的依据。

五、结束语

本文运用3D软件Pro/E建立内燃机三维模型，通过ADAMS/Exchange模块导入ADAMS，实现了Pro/E与ADAMS的无缝连接，并对内燃机虚拟样机进行了动力学仿真分析。在无实际的物理样机的条件下，ADAMS虚拟样机仿真可提供大量的运动学和力学参数结果，这些结果可用于分析机械系统运动特性，也可用于下次分析的输入。然而实际中的内燃机非常复杂，运动时涉及到很多参数，本文只是在比较低的层面上对内燃机进行动力学仿真，以比较直观地展现内燃机的一些运动规律，得到了所有动力学参数在内燃机工作时的变化过程。

在内燃机的研究开发中，ADAMS虚拟样机技术可提高设计质量，缩短开发周期，并降低开发成本。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t471.html