船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析
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第三章 ADAMS介绍与二冲程柴油机建模
本章着重于对ADAMS软件的介绍和对二冲程柴油机建立虚拟样机模型[13],对后面章节的运动仿真做好准备工作。
3.1 ADAMS软件简介
ADAMS（Auto Dynamic Analysis of Mechanical Systems）软件
[14]，是由美国
机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc.）（现已经并入美国MSC公司）开发的最优秀的机械系统动态仿真软件，是目前世界上最具权威性的，使用最广的机械系统动力学分析软件，在全球占有率最高。ADAMS软件可以广泛应用于航空航天、工业机械、汽车工程、铁路车辆及装备、工程机械等领域。国外的一些著名大学也已开设了介绍ADAMS软件的课程，而将三维CAD软件、有限元软件和虚拟样机软件作为机械专业学生必须了解的工具软件。
ADAMS一方面是机械系统动态仿真软件的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟样机进行静力学，运动学和动力学分析。另一方面，又是机械系统动态仿真软件分析开发工具，其开放的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型机械系统动态仿真分析的二次开发工具平台。ADAMS与先进的CAD软件（ＵＧ、PRO/E）以及CAE软件（ANSYS）可以通过计算机图形交换格式文件相互交换以保持数据的一致性。ADAMS软件支持并行工程环境，节省大量的时间和经费。利用ADAMS软件建立参数化模型可以进行设计研究、实验设计和优化分析。为系统参数优化提供了一种高效的开发工具。
ADAMS软件特点如下:
? 利用交互式图形环境和零件库、约束库、力库建立机械系统三维参数化模
型。
? 分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学
分析，包括刚体和柔性体分析。
? 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。 ? 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能
力，提供多种“虚拟样机”方案。
? 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。 ? 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。
? 自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，仿真结果显示为动画和曲
线图。
? 可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计算有限
元的输入载荷。
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? 支持同大多数CAD、FEA和控制设计软件包之间的双向通信。
ADAMS软件包括核心模块ADAMS/view（基本环境）、ADAMS/Solver(求解器)、ADAMS/Post Processor（后处理）以及一些专业模块。ADAMS/view（界面模块）图形界面的交互式设计环境，包括建模和机构设计，分析等。ADAMS/view提供可视化的建模功能。不过相对一些著名的CAD软件，大家可能感到不喜欢。对于复杂的图形，建议在UG ，Solid works，Po/e等软件中建立，然后倒入ADAMS中。
ADAMS/view提供了一个直接面向用户的基本操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种建模工具、样机模型数据的输入和编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据输入和输出、同其他应用程序的接口等.
ADAMS仿真分析结果的后处理，可以通过调用后处理模块ADAMS/Post Processor来完成。ADAMS/Post Processor模块具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。除了可以直接绘制仿真结果曲线外，ADAMS/Post Processor还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算；可以输入实验数据绘制实验曲线，并同仿真结果进行比较；可以进行分析结果曲线图的各种编辑。
ADAMS进行建模和仿真的步骤[15]
l、创建一个包括运动件、运动副、柔性连接和作用力等在内的机械系统模型； 2、通过模拟仿真模型在实际操作过程中的动作来测试所建模型；
3、通过将模拟仿真结果与物理样机试验数据对照比较来验证所设计的方案； 4、细化模型，使仿真测试数据符合物理样机试验数据； 5、深化设计，评估系统模型针对不同的设计变量的灵敏度； 6、优化设计方案，找到能够获得最佳性能的最优化设计组合； 7、使各设计步骤自动化，以便能迅速地测试不同的设计可选方案。
3.2建模
可以利用Pro/E软件建立模型然后导入ADAMS进行仿真分析。 3.2.1利用Pro/E和ADAMS对内燃机仿真分析步骤介绍
ADAMS软件是一款很好的机械系统动力学仿真分析软件，能方便地实现虚拟样机试验分析，且在内燃机虚拟样技术中使用较为广泛，但是由于ADAMS/view实体造型功能比较弱，对于像曲柄连杆复杂的机械机构，零件的几何外形不规则，
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因此利用ADAMS建立三维模型就很不容易实现，且ADAMS需要的许多参数无法精确确定，所以经常得不到正确结论[16]。所以常用的分析方法是用CAD软件建模，然后用专业的动力仿真软件联合进行。
本文将利用Pro/E软件及ADAMS软件联合建立单缸二冲程曲柄连杆机构仿真模型。利用Pro/E灵活的转配功能将没有运动的零件组成一个装配体，以方便刚体定义。MECHANANISM/Pro是连接Pro/E和ADAMS的接口模块，两者是采用无缝连接方式，对装配体进行刚体定义和施加约束后，然后通过MECH/Pro 将模型导入ADAMS中进行动力学仿真分析，基本步骤[17]如图3.1所示
图3.1 内燃机建模和仿真分析步骤
首先，利用Pro/E建立柴油机曲柄连杆机构各零件的三维模型，然后进行模型装配，为了防止Pro/E和ADAMS软件间图形数据传递过程中丢失数据，在导入过程中需要专用接口模块MECH/Pro，这可以根据构件运动关系将它们装配并生成刚体，并添加一些简单约束和标记等。因为从Pro/E装配环境到ADAMS环境下时，Pro/E装配系统的坐标与ADAMS的Global坐标必须得到重新重合。所以，在Pro/E的装配环境下，应在整体模型特定点建立局部坐标，并按照坐标对齐方式重新定义整体模型位置，使新建立局部坐标和装配系统的坐标对齐；另外，将定义好的刚体传到ADAMS/view环境下时，再添加复杂约束及力等，进一步完善模型。最后通过ADAMS/ Slover ( 求解器)把模块求解后，利用ADAMS/Postprocessor模块来处理仿真的数据，深入分析并加以优化设计。
3.2.2 某型号二冲程柴油机虚拟样机在ADAMS的建模参数
在宋玉超老师的悉心指导帮助下，利用MECH/Pro接口将某型号二冲程柴油
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机Pro/E模型导入ADAMS/view后，如图3.2.
该型号柴油机部分参数如下：
气缸数：6, 2冲程 缸径：500mm
行程：2000mm
最高爆发压力：151bar 单缸功率：1580kw 额定转速：127rpm
其中此模型所用到的约束如表3.1
图3.2 某型号二冲程柴油机单缸模型
表3.1 曲柄连杆机构各部件之间的约束关系
序号 1 2 3 4 5
节点名称 Joint_1 Joint_2 Joint_3 Joint_4 Joint_5 约束组件 活塞、机体 连杆、活塞 机体、地面 曲柄、连杆 曲柄、机体 14
约束类型 Translational Revolute Fixed Revolute Revolute 个数 1 1 1 1 1 备注 上下移动 转动 固定 转动 转动 船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析
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第四章 曲柄连杆机构运动仿真
本章将对某二冲程柴油机活塞进行动力仿真，得到一系列速度，加速度，位移曲线，并对其进行分析。
4.1 进行仿真
建立柴油机曲柄连杆机构物理模型后，添加完约束，共有三个转动副，一个运动副，一个固定副。在系统中，通过给曲柄添加一个恒定转速为127rpm的激励，来模拟柴油机曲柄连杆机构在127rpm（762度每秒）的运动。设置如图4.1
图4.1 joint_5的运动设置 图4.2工具箱
1.在工具箱（如图4.2）单击控制图标 2.点击开始仿真图标
。
。
3.模型开始运动，到来结束时间运动结束，如图4.3所示。
4.2 测量仿真结果
4.2.1 活塞位移
1.进入Adams/view后，在工具箱（如图4.2）中点击Adams/Postprocessor.
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