虚拟样机技术

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1、.4动力传动系统扭振特性仿真4.1引言本章将动力传动扭振系统简化为曲轴扭振子系统和齿轮扭振子系统，可先分别对两个子系统的扭振特性进行研究，再将两个子系统装配进行系统的扭振研究。发动机的曲轴系统，由曲轴以及连于其上的活塞、连杆、飞轮等旋转质量组成。由于曲轴是一个弹性体，在燃气爆发压力和运动质量引起的力和力矩的作用下将发生振动，其振动形态包括扭转振动、弯曲振动、纵向振动和滚振等。这些形态的振动不仅有各自的固有振动特性,还存在一定程度的耦合。由于曲轴系统的扭转振动自振频率一般比较低，其共振转速往往落在发动机常见的转速范围内，对发动机的危害比较大。目前对曲轴系统扭振的处理一般是

2、把连续的曲轴系统离散化为由有限个有惯量而无弹性的等效惯量和有弹性而无惯量的等效轴组成的系统，或直接采用曲轴柔性体进行仿真。由于轮齿的啮合弹性和齿轮轴的扭转弹性的存在，齿轮系统是一个弹性系统，在各种内外部激励下发生振动。目前对齿轮系统的扭振研究得比较多，如文献[52]建立了某磨机中心侧传动齿轮减速装置的系统模型和振动方程，确定了系统的刚度和转动惯量，并应用矩阵迭代法计算了整个系统的固有频率和振型。文献[53]将频域传递矩阵法应用于齿轮传动的扭振分析中，并导出了惯性元件、弹性元件及分布参数元件的频域传递矩阵，结合不同的边界条件给出了固有频率和固有振型的求解方法。文献[54]

3、建立了封闭行星齿轮传动系统的扭振计算模型，模型中考虑了行星轮和星轮的啮合相位，行星架的弹性变形和负载惯性，用数值解法获得了在受周期性变化的齿轮啮合刚度和齿频综合误差激励下的齿轮啮合动载荷和在不同的输入转速下的动载荷系数，并分析了在星形轮系和行星轮系动力耦合情况下齿轮系统的动态特性。此外，文献[41]对齿轮系统扭振也有比较全面的论述和总结。在常见的动力传动系统总体扭振模型中，常见的处理方法有：发动机简化为一个集中惯量、忽略轮齿弹性、液力变矩器采用静态模型、在连接处适当考虑弹性和阻尼、系统成为一个当量的多自由度弹性－集中惯量系统，然后通过列写动力学方程求解。....本章的建

4、模与仿真基于软件进行，不对动力传动系统扭转振动理论模型进行推导或列写，而是致力于软件计算原理和具体实现过程上，探讨如何基于ADAMS建立一种能考虑传动轴柔性效应、轮齿弹性的动力传动系统扭转振动模型。4.2柔性体在ADAMS中的实现与通用的仿真软件（如Matlab/Simulink）相比，采用ADAMS进行机械系统仿真可以在仿真模型中直接采用柔性体，从而考虑物体的柔性效应，提高系统仿真精度，这是采用虚拟样机技术仿真机械系统的一个优点。4.2.1有限段法与离散梁图4.1离散梁模型有限段理论是美国学者提出来的，其基本思想是：把柔性体描述为多个刚体以含有弹簧和阻尼器为结点连接的

5、多刚体系统。这种理论的实质是把柔性引入系统各接点中。这样就能把惯性和弹性连续分布的柔性体建模等效为多刚体的建模。ADAMS中的离散梁（discreteflexiblelink）就是有限段理论的一个应用实例。在ADAMS中，柔性杆件可以通过离散梁实现。所谓离散梁就是将刚性杆件离散为N段刚性微杆，其间由N－1个梁单元连接，梁单元所传递的力和力矩采用Timoshenko弹性梁理论进行计算，这样就形成一个柔性杆模型，如图4.1所示。在定义离散梁时，需要指定柔性杆件的端点、刚性微杆数目、梁单元属性、端点连接方式。本文5.5.1采用离散梁模拟柔性传动轴进行实例仿真。4.2.2Cra

6、ig-Bampton法和模态中性文件ADAMS通过对Craig和Bampton在1968年于文献[58]提出的Craig－Bampton方法进行改进而实现柔性体动力学仿真。Craig－Bampton方法是模态综合法的一种，又称为固定界面模态综合法，属于动态子结构方法范畴。动态子结构方法常用于求解多自由度系统的特征值问题，其基本思想是：首先按照工程....的观点或结构的几何轮廓，遵循便于计算或试验的原则，把完整的大型复杂结构人为地抽象为若干个子结构，接着对自由度大大减少的各个子机构进行模态分析，然后经由各种方案，保留其主要模态信息，略去高阶模态以达到缩减自由度的目的，接着

7、根据各子结构交界面的位移协调条件，将其组装成自由度大大缩减的总体系统方程，求解此方程就可获得系统的固有频率和模态坐标下的主振型，最后进行坐标变换求得用物理坐标表示的解，就可以得出位移、速度、加速度及应力应变等。Craig-Bampton法的主要特点是：固定界面主模态（与内部坐标相对应）和约束模态（与界面坐标相对应）一起构成完备的模态集，以此作为系统的假设模态。各子结构的主模态一般由有限元分析计算或试验得到，而约束模态的定义中包括了刚体模态，求解时需假设各个子结构的交界面全部为固定约束，即在界面坐标的条件下，分析子结构的动态特性，略去高阶模