船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

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

当今全球经济日益繁荣，国国之间外贸联系日益紧密，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。因此船舶的动力和电力系统绝大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，大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；中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核心都是曲柄连杆机构。曲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（Auto Dynamic Analysis of Mechanical Systems）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]1.2国内外研究状况

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。

曲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。传统柴油机主要工作机构的运动及动力分析的方法主要包括图解法、 解析法以及复数向量法

[2]。

（1）图解法 形象直观，机构各组成部件的速度、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

1

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

法十分复杂

[3]。

（2）解析法 解析法是对每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。

（3）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，因此大大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

[4]。现代设计

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

[5]。它在柴油机产品设计中应用范围十分广泛，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。通过目标函数和约束条件对这些要求做出数学描述，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

[6]。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、热力学中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中采用有限元技术，利用Syst us、ADINA等大型有限元程序系统来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---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

2

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

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所高校和研究所参加，成功开发中小功率内燃机辅助设计系统(ICECAD)。这个系统汇集了当前许多内燃机设计的新成果，应用这个系统对内燃机产品(从零部件到整机)既可进行改进设计，也可以进行全新设计，它是我国内燃机行业中第一个完整CAD系统。 ( 4)多刚体动力学模拟(MBS) 多刚体动力学模拟(Multibodies Simulation)是近十年才发展起来的机械计算机模拟技术。MBS提供了在设计过程中对设计方案进行分析及优化的有效手段。在机械设计领域得到越来越广泛的应用。它利用计算机建造的模型对实际机械系统进行实验研究，将分析的方法用于模拟实验，充分利用已有的基础的物理原理，采用与实际物理系统实验相似研究方法，然后在计算机上运行仿真实验。日前的MBS软件主要由Pro／Machanica、Working model 3D、ADAMS等组成。MBS软件的最大优点在于分析过程中无需要编写复杂仿真程序，在产品的设计分析时无需进行样机的生产及试验。

1.3本文主要研究内容及思路

本篇文章主要运用理论分析、计算机仿真相结合的方法对船用柴油机曲柄连杆机构进行运动学分析仿真及动力分析。 主要思路如下：

（1）建立简化的柴油机曲柄连杆机构动力学和运动学模型。如活塞的速度、位移和加速度模型，体现理论指导仿真的目的。

（2）在Pro/e环境下建立二冲程柴油机曲柄连杆机构的运动模型，并导入Adams/view 环境中。

（3）用Adams软件进行运学仿真及分析，给出主要部件在任意时刻任意位置运动规律（如位移，速度，加速度等），并给出动态仿真的过程。对结果进行分析，得出相关结论，来帮助轮机人员对柴油机曲柄连杆进行更深入了解。

3

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

第二章 四冲程柴油机曲柄连杆机构运动和动力学

柴油机曲柄连杆机构类型[7]有很多，按运动学观点分为三类，即：中心曲柄连杆机构、主副连杆式曲柄连杆机构和偏心曲柄连杆机构。其中中心曲柄连杆是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直对于曲柄的回转轴线。这种形式在内燃机中应用广泛。

本章将运用力学的基本理论知识进行单缸四冲程柴油机中心曲柄连杆机构运动学、动力学分析，这为后面的运动仿真分析的研究奠定理论基础。

2.1 中心曲柄连杆机构运动学分析

中心式曲柄连杆机构简图如图2.1所示，在图2.1中气缸中心线通过曲轴中心O，OB是曲柄，AB是连杆，B是曲柄销中心，A是连杆小头孔中心或活塞销中心。 当曲柄以等角速度旋转时，曲柄OB中任意点都以O点为圆心做等角速度旋转运动，活塞A点将沿气缸中心线做往复运动，而连杆AB则做复合的平面运动，其大头B端与曲柄一端相连，做等角速度的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。为使问题简单化，在实际分析中，一般将连杆简化成分别集中于连杆大头及小头的两个集中质量，认为它们在分别做旋转和往复运动，这样以来就不需要对连杆的运动规律进行单独研究[8]。

当活塞做往复运动时，其速度和加速度是随时变化的。它的速度和加速度数值以及变化规律对曲柄连杆机构及发动机整体工作有很大影响，因此研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务是研究活塞的运动规律。 2.1.1 活塞位移

假设在某一时刻，曲柄的转角为，按顺时针方向旋转，连杆轴线在连杆运动平面内偏离气缸轴线角度为，如图2.1 所示。

当=0时，活塞销中心A在气缸最上面的位置A1，这个位置称为上止点。当

=180时，A点在气缸最下面的位置A2，这个位置称为下止点。

此时活塞的位移

[9]x为:

x=A1A= A1OAO= (r+l)(rcoslcos) （2.1） 为了分析方便将上式的变量消去一个，以代替。为此。在△OBA中，由正弦定理可

4

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

图2.1 中心曲柄连杆机构运动简图

——曲轴转角 ；——连杆摆角；r——曲柄半径；

S——活塞行程 ；l——连杆长度； x——活塞位移

得 rsinlsin

令 =r/l

r得sinsinsin

l由三角公式cos1sin1sin=（1-sin）

2222212 上式

右端可按牛顿二项式展开，故

11111(1)(1)(2)1222422222cos1sinsin6sin622!3!1111(1)(2)(3)22228sin8 4!111 =12sin24sin46sin6

2816现代内燃机连杆比=0.23~0.31，而sin1，故上式展开的前两项就足够精

确

即

5

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

1 cos12sin2

2r将上式及带入公式（2----1），并简化为

l1 xlr[l(12sin2)rcos]

2l r(1cos)2sin2

2l1cos2 r(1cos)2

22 r[(1cos)(1cos2)]

4 故活塞的位移公式 xr[(1cos)(1cos2)] （2.2）

4从（2.2）可知，活塞的位移[10]按简谐运动规律呈周期性变化，位移大小和曲柄半径和连杆比有关，并且和活塞的质量及曲柄转速无关。 2.1.2 活塞速度v

将活塞位移x对时间求导数，即得到活塞的速度v

dxdxdr(sinsin2) （2.3） vdtddt2Sn2 活塞平均速度 Cm= =r =0.6366r (m)

s30r 从式（2.3）可以看出，活塞速度可视为v1rsin及v2sin2两个简谐

2运动的和运动。

当0或着180时，活塞速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当90时，

vr，此时活塞的速度等于曲柄销中心的圆周速度。

2.1.3 活塞加速度 a

dvdvdar2(coscos2) (2.4)

dtddt2因此，活塞加速度也可以看成两个简谐运动加速度之和，即由arcos1和2两部分组成。 . arcos222.1.4 连杆运动分析

[11]

连杆运动是随着活塞平移及绕着活塞销（或十字头销）摆动的两种运动的复合。连杆随着活塞平移速度和加速度就是活塞速度和加速度。从连杆与气缸中心线重合算起，连杆绕着活塞销的角位移，从0~180范围内角位移为正值；

6

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

在180~360范围中角位移为负值。

通过对活塞和连杆之间运动分析和活塞的计算，可得到连杆的角速度，角位移和角角速度，如表1 。

表2. 1 连杆的运动规律

角位移 角速度 角加精确公式 近似公式 最大值 16arcsin(sin) sin(12sin2) 当90，270时 max(12) cos cos16cos(12sin2)12 当0，180时 max 3sin2sin[12(1sin2)]当90，270时 22(1)2速度cos3 2max  12

2.2 动力学分析

作用在曲柄连杆机构上的力分为：缸内气体压力、惯性力、摩擦阻力及作用在柴油机曲轴上的负载阻力。因为摩擦力的数值较小且变化规律难以掌握，受力分析时可把摩擦阻力忽略不计。而负载阻力和主动力处于平衡状态，则无需考虑。

2.2.1 气体压力

作用在活塞上的气体压力Pg等于气缸内气体压力和曲柄箱被气体压力之差与活塞面积的乘积即

Pg 式中 D——气缸直径

P—— 气缸内气体压力 p0——曲轴箱内气体压力

对于四冲程柴油机和用扫气泵扫气的二冲程柴油机，曲轴箱内的气体压力变化不大，可以近似认为p0是一个大气压力。因此柴油机Pg的变化规律和p相同。 2.2.2 惯性力

7

4D2(pp0) （2.5）

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

1. 曲柄连杆机构的质量简化

曲柄连杆机构的运动和质量分布情况比较复杂。如连杆做复杂的平面运动，曲轴作定轴转动，定轴转动虽然比较简单，但曲轴上各点的旋转半径不同，各点的加速度也就不同。为了简化计算，可使系统简化[12]，即将实际的质量系统简化为动力学上相当的集中质量系统，集中质量系统由两个集中质量组成： （1）集中于活塞销中心的往返运动质量mj，它等于活塞组质量和连杆组简化到小头中心质量之和。

（2）集中于曲柄销中心的旋转运动质量mr，它等于简化到曲柄销中心的曲拐不平衡质量与连杆组简化到曲柄销中心的质量之和。 2. 惯性力

（1）往复惯性力Pj

由理论力学知，往复惯性力的大小等于往复运动质量mj和活塞加速度a的乘积。其方向则与活塞加速度的方向相反。

Pjmjamjr2(coscos2)CcosCcos2Pj1Pj2 （2.6） 式中

Cmjr2 Pj1Ccos

Pj2Ccos2

当曲轴转速一定时，一定，因此C在转速一定时为常数。

Pj1称为一级往复惯性力。它是曲柄转角的余弦函数，曲轴旋转一圈，它变化一个周期；Pj2称为二级往复惯性力。它是曲轴转角2倍的余弦函数，曲轴旋转一圈，它变化两个周期。

（2）旋转惯性力Pr

曲柄连杆机构简化到曲柄销中心的旋转运动质量所产生的惯性力为 Prmrr2

（2.7）

当曲轴转速一定时，Pr的大小一定，其方向则始终沿曲柄方向向外。 2.2.3 活塞上的总作用力

8

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

由前述知，在活塞销中心处，同时作用有气体作用力Pg和往复惯性力Pj，由于作用力方向都沿着中心线，因此只需代数相加，即可求得合力P

PPjPg (2.8) 2.2.4 活塞上总作用力（合力）P分解与传递

如图2.2所示，先将合力P分解成两个分力：沿着连杆轴线作用的力K以及把活塞压向气缸壁的侧向力N

其中沿着连杆的作用力K为：

KP 而侧向力 N为：

NPtan (2.10)

1 （2.9) cos

图 2.2 作用在曲柄连杆上的力和力矩

连杆作用力K的方向规定为：使连杆受压为正号，使连杆受拉为负号； 缸壁的侧向力N的符号规定为：当侧向力所形成反扭矩与曲轴旋转方向相反时，侧向力为正值，反之为负值。

连杆作用力K通过连杆作用在曲轴的曲柄臂上，此力也可分解成两个力，即推动曲轴旋转切向力T以及压缩曲柄臂径向力Z。 即 TKsin()Psin()

cos（2.11）

9

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

ZKcos()Pcos() （2.12） cos 规定力T和曲轴旋转方向一致为正，力Z指向曲轴为正。

2.3 本章小结

本章先是分析了四冲程柴油机曲柄连杆机构运动学情况，着重分析了活塞的速度，位移，加速度情况，最后分析了机构的受力情况。经过本章的介绍，可以比较清晰的对柴油机原理有了深刻理解，能较好的帮助轮机人员在以后工作中有所帮助，也为本文后面的运动仿真做了理论知识的铺垫工作。

10

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

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。

11

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

 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，

12

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

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

13

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

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

______________________________________________________________________________________________

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.

15

，进入

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

2.如图4.4所示，在左下角source选项中选择result sets。

图4.3 运动仿真

图4.4 Adams/Postprocessor 后处理控制区域

3.点击图4.4右下角data选项，出现图4.5复选框，依次选择motion_1，ANG,最后点击OK.此步骤的目的是以曲柄转角为横坐标，来绘制位移—曲柄转角曲线。

4.在图4.4右边，选择“one curve per plot”,使一页一个曲线。 5.如图4.6所示，依次点击“Objects---marker_7---translational_displacement---y” 6.点击“add curves”,便得到活塞上标记点7位移---曲柄转角曲线，如图4.7

16

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

4.5 选择横坐标自变量参数

图4.6 选择活塞上标记点7准备绘图

图4.7 活塞上的标记点Marker_7位移---曲柄转角曲线 4.2.2 活塞速度

如图4.6所示，依次点击“Objects---marker_7---Translational_velocity---y”,

17

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

并且点击“add curves”,便可得到活塞上的标记点Marker_7速度——曲柄转角曲线，如图4.8

图4.8 活塞上的标记点Marker_7速度——曲柄转角曲线 4.2.3活塞加速度

如

图

4.6

所

示

，

依

次

点

击

“Objects---marker_7---Translational_acceleration--y”,并且点击“add curves”,便可得到活塞上的标记点Marker_7加速度——曲柄转角曲线，如图4.8. 4.2.4 曲柄角速度

选择曲柄上一点marker_13，绘制出曲柄的角速度——时间关系如图4.10所示。

18

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

图4.9 活塞上的标记点Marker_7加速度——曲柄转角曲线

图4.10曲柄的角速度——时间关系

4.3 进行仿真录像

19

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

在ADAMS/Postprocessor页面中，在左上方主菜单中选择“animation”替代“plotting”，然后在中间空白处右键鼠标，选择“load animation”进行装载仿真如图4.11 点击左下角

，模型运动，同时点击

，进行仿真录像。录像保存在Adams

文件夹下如图4.11。

4.4 对仿真结果分析及本章总结

首先分析图图4.10曲柄的角速度——时间关系，此目的是验证虚拟样机曲柄

是不是以127RPM的转数运行的。从仿真结果上看，曲线在一开始较短时间内，转数从零迅速上升到很大值，最后稳定于762度没秒（即127RPM），说明基本符合实际柴油机运行工况。因此该实验手段是可信的。

本章先是对某型号二冲程柴油机单缸的虚拟样机进行了运动仿真，接着逐步实现对活塞上标记点实现参数的测量，并将速度、位移、加速度随曲柄转角的曲线绘制出来，以活塞上的一点来反映整个活塞的运动情况。最后录制了曲柄连杆的仿真运动录像。

图4.11 仿真过程的录制录像

20

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

结论

本文通过对柴油机曲柄连杆机构运动受力理论分析及软件动力仿真得出以下结论：

（1） 从活塞上的标记点Marker_7位移---曲柄转角曲线图4.7和 活塞的位移公式（2.2）知：活塞的位移按简谐运动规律呈周期性变化，位移大小和曲柄半径和连杆比有关，并且和活塞的质量及曲柄转速无关。

（2） 从活塞速度变化曲线图4.8和活塞速度公式（2.3）可知：活塞速度呈正弦周期性变化，其幅值较大，并且和曲柄转速有关。

（3） 从活塞加速度变化曲线图4.9和活塞加速度公式（2.4）知：活塞加速度和曲柄转角、连杆比、曲柄半径有关。在曲柄转速一定下，选择合适的连杆比，可缩小柴油机体积和减轻柴油机质量，并且还能减少曲柄连杆机构的往复惯性力，进而降低活塞和气缸之间的磨损。

（4）从表2.1 可知：连杆的角位移只和连杆比有关，和其他因素无关；角

速度和角加速度除了和连杆比有关外，还与曲轴转速有关，角速度和曲柄转速成正比，角加速度和曲柄转速二次方成正比。

（5）通过虚拟样机技术在柴油机的设计中可以节省资金和时间，提高工作效率。

21

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

参 考 文 献

[1] 李斌.船舶柴油机.大连海事大学出版社，2008.4，2-3

[2] 李帼英.发动机曲柄连杆机构三位建模与性能仿真.大连：大连理工大学软件工程，2008 [3] 陆耀祖．内燃机构造与原理．北京：中国建材工业出版社，2004．

[4] 高晓红，褚金奎，郭晓宁.齿轮连杆机构分析与运动分析.西安理工大学学报，2002,18（3）：

289-293

[5] 闵剑青，徐梓斌, 舒建武.铰链六杆机构的动力分析与运动学分析系统.机械传动，

2005,20（2）：31-33

[6] 陈爱和．单缸发动机曲轴的动平衡优化设计．凿岩机械气动工具，1996(3)：19—21． [7] 王晓云.曲柄连杆机构动力学分析与设计系统研究.西安：西安建筑科技大学机械电子工

程，2006

[8] 杨连生．内燃机设计[M]．北京：中国农业机械出版社，1980．6． [9] 李飞鹏.内燃机构造与原理(第2版).北京：中国铁道出版社，2003：51-54

[10] 李鹏，张宝成，赵开敏等。发动机曲柄连杆运动及特性分析与仿真。太原：中北大学机

电工程学院，2011

[11] 李斌，杨春雷，刘勇.曲柄连杆机构运动及动力特性分析.成都：西南石油大学机电工程学院，2006

[12] 何孔德，何玉林，杜静等。发动机曲柄连杆机构质量的优化配置。重庆：重庆大学，2005 [13] 郑建荣。ADAMS---虚拟样机技术入门与提高。北京：机械工业出版社，2001.11,2-3 [14] 郑凯.ADAMS 2005 机械设计高级应用实例.北京：机械工业出版社，2006,8-10 [15] 方琛玮.基于ADAMS的机器人动力学仿真研究.北京：北京邮电大学检测技术与自动化装

置，2009

[16] 张霖，林建生，张宝欢等.基于Pro/E和ADAMS的内燃机虚拟样机技术【J】.小型内燃

机与摩托车，2008,37（3）：31-33

[17] 张小明，冷军发，刘波.基于ADAMS的单缸内燃机动力学分析与研究.机械传动，

2009,1004-2539（2009）04-0052-03:52-53

22

船舶柴油机曲柄连杆机构的运动仿真与动力分析

______________________________________________________________________________________________

致 谢

本文是在宋玉超博士的悉心指导和帮助下完成的。在我完成本论文的过程中，

宋老师在百忙中抽出时间耐心的指导，有什么困难，都能得到老师的及时帮助。在学习软件和收集资料上，得到了老师大力帮助，在此我对老师表示深切的敬意和感谢。

同时，，海大在国内外都享有盛誉，校友遍布世界各地，几乎每条远洋船舶上都有海大学子，我能作为海大学子的一员而感到无比荣幸。

在轮机工程学院学习生活了四年，作为一名轮机人我能感受到辛勤的老师们孜孜不倦对学生的付出。

在即将踏入社会的时候，我会将踏踏实实做事，时刻不忘母校的培养恩情，以实际行动宣传海大，努力成才！

最后感谢抽出时间来评阅论文和参加答辩的各位老师们，给予同学们的指导和帮助。祝福你们工作顺利，身体健康！

23