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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1、船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析第一章绪论1.1课题来源及意义当今全球经济H益繁荣，国国Z间外贸联系H益紧密，90%的进出口是靠船舶运输的。柴油机有以下突出优点，a.经济性好b.功率范围宽广c・尺寸小，重量轻d.机动性好e・可靠性高，寿命长，维修方便⑴。因此船舶的动力和电力系统绝人部分情况依赖柴油机，所以研究船舶柴油机有很大的必要性。在大多数情况下，人型低速长行程十字头二冲程柴油机作为主机，带动轴系，最终推动螺旋桨产生动力推进船舶前进；屮速四冲程筒形柴油机作为发电机组的原动机，带动发电机发电供全船照明和动力用电。无论四冲程还是二冲程柴油机的

2、核心都是曲柄连杆机构。1山柄连杆机构是柴油机主要运动部件，能将活塞的往复运动转换成回转运动，并产生动力，驱动外部设备。曲柄连杆机构运动和受力都比较复杂，因此无论是设计人员在设计过程中，还是轮机员在日常维修保养中都非常关心它的性能。本文以船用柴油机曲柄连杆为例，对曲柄连杆机构进行运动和动力分析，用机械系统动力学自动分析软件ADAMS(AutoDynamicAnalysisofMechanicalSystems)为工具，对二冲程柴油机进行运动仿真及分析，使对柴油机工作原理有更为深刻的理解，方便轮机人员在日常工作中管理主机和发电柴油机。1.2国内外研究状况

3、1.2.1机构动力学分析方法研究现状当前，国内外对柴油机工作机构动力分析方法较多，且都比较完善和成熟。1川柄连杆机构运动学分析就是研究曲柄和连杆，连杆和活塞的相对运动即位移、速度和加速度随着时间的变化规律。动力学则是研究受力情况。柴油机曲柄连杆机构的动力学分析包括气体力，惯性力，轴承力，曲轴扭矩等的分析。传统柴汕机主要工作机构的运动及动力分析的方法主耍包括图解法、解析法以及复数向量法1210(1)图解法形彖直观，机构齐组成部件的速度、位移、加速度、所受力的大小以及改变趋势通过图解形式一目了然。作为解析法的辅助手段，图解法能用于对计算结果正确与否的判断

4、和解的初值选择，其缺点是精度很低。不经过任何的计算而图解得到曲柄连杆机构速度及加速度的方法最早由克莱茵提出，但其方法十分复杂⑶。(1)解析法解析法是对侮个构件列出平衡方程，然后通过各个构件间的联系建立线性方程组而求解运动副约束反力及平衡力矩。解析法又包括单位向量法和直角坐标法等。(2)复数向量法复数向量法是以各个杆件作为向量，把复平面上的连接的过程用复数形式来表达，对于包括结构参数和时间参数的解析式对时间求导后，即可以得到机构的运动性能。该方法是工作机构运动分析中较好方法。通过对柴油机曲柄连杆机构运动学和动力学的分析，可以很直观了解柴油机的运动性能和

5、运动规律，从而能更好地帮助我们设计和管理好运动机构。但是大•部分复杂机械运动虽然给出解析式，却难以计算出结果，只能用近似的图解法求得数据。近些年来，随着计算机的发展，可以利用计算机对复杂解析式来求解，进而推动了力学性能分析和产品设计的进步。1.2.2现代设计理论和方法在柴油机开发中应用随着市场竞争的加剧，近年来，产品的研发周期不断缩短以增强市场竞争。而同时为了提高产品质量及降低成本，需要做大量实验、分析和进行处理数据，因此人人增加了设计人员的工作量。解决这个问题的方法就是利用先进的技术和工具，加强先期设计阶段的重要性，大量应用现代设计理论和方法⑷。现

6、代设计理论和方法是动态发展的，狭义的讲是为设计而建立各种数学模型及求解这些模型的技术⑸。它在柴油机产品设计中应用范用十分广泛，主要包括优化设计、多刚体动力分析、有限元分析、计算机辅助设计、计算机辅助工程热力学分析等。(1)优化设计采用优化设计技术的目的在于改善柴油机产品的性能，用来减轻零件质量、降低应力、延长寿命、提高可靠性并降低成本。通过冃标函数和约束条件对这些耍求做出数学描述，并最终化成约束条件限定在可行域内多元函数求极值的问题，以求得整体的权衡折衷⑹。通常较多采用的是有约束的非线性规划法，国内已多家单位对发动机零件，如连杆、气门弹簧、活塞、曲轴

7、等进行优化设计或从多方案中选优。(2)有限元分析有限元素法即应用变分原理将力学、热力学屮微分方程边值问题最终归结于泛函求极值问题，并利用计算机求解。从70年代开始我国便在柴油机产品设计屮采用有限元技术，利用Systus、ADINA等大型有限元程序系统來计算和分析连杆曲轴及增压器叶轮等发动机零部件的静动态应力与应变一-结构强度和刚度问题，其成果己在中小型发动机产品设计上得到推广应用。(3)计算机辅助设计(CAD)计算机辅助设计(CAD)是从上世纪60年代发展起来现代设计方法的重要分支，它从根本上改变了机械设计的传统模式，引起工程设计领域的深刻变革。同时

8、它又综合性的应用现代设计理论及方法，并将其有机地集成于CAD系统中。1993年由上海内燃机研究所负责、12所