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發(fā)動(dòng)機(jī)的核心運(yùn)動(dòng)部件主要包括曲軸、連桿和活塞等，這些零部件組成了典型的機(jī)械多體系統(tǒng)，其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能具有重要影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，這些零部件受到高溫、高壓和交變載荷的作用，其動(dòng)力學(xué)響應(yīng)、強(qiáng)度等問題一直是人們關(guān)注的問題。體積小、輕量化和高功率密度是現(xiàn)代車用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，其活塞連桿和曲軸等運(yùn)動(dòng)部件承受越來越高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，工作條件越來越苛刻。由曲軸、連桿和活塞等構(gòu)成的多體系統(tǒng)包含了活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，曲軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和連桿的高速?gòu)?fù)合運(yùn)動(dòng)，加之高壓、摩擦和慣性力與力矩的影響，使這一系統(tǒng)工作中的動(dòng)力學(xué)特性和承受的載荷變化非常復(fù)雜，而準(zhǔn)確地分析和預(yù)測(cè)不同工況下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和載荷特性是發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的前提。對(duì)連桿通常分析5種機(jī)械載荷(工況)，即襯套裝配預(yù)緊力、軸瓦裝配預(yù)緊力、連桿螺栓預(yù)緊力、最大拉伸載荷(最大慣性力工況)和最大壓縮載荷(氣體最高燃燒壓力工況)。其中，前3種載荷可以采用有限元分析的接觸算法進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算；而后2種載荷本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)載荷問題，需要首先求解慣性力。曲軸、連桿和活塞構(gòu)成了典型的柔性多體系統(tǒng)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)在宏觀大范圍剛體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還發(fā)生微觀小量級(jí)的彈性變形。剛?cè)崤汉献饔眉扔绊懞暧^動(dòng)力學(xué)行為，也影響構(gòu)件的交變應(yīng)力，從而引發(fā)疲勞壽命問題�？紤]完全剛?cè)崤汉献饔玫亩囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程往往較難建立且不易解算。而從工程角度考慮，由于曲軸、連桿和活塞的剛度均較大，因此系統(tǒng)的宏觀剛體運(yùn)動(dòng)對(duì)構(gòu)件的彈性變形影響較大，而這也是決定構(gòu)件強(qiáng)度的重要因素。
本文提出了一種基于“慣性釋放”和“載荷現(xiàn)象疊加”的方法，既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)建模與仿真，又可完成任意時(shí)刻連桿動(dòng)態(tài)載荷和應(yīng)力場(chǎng)的快速計(jì)算。多剛體仿真的初始條件和邊界條件為實(shí)測(cè)的氣缸壓力、負(fù)載和真實(shí)的幾何模型數(shù)據(jù)，確保了仿真結(jié)果的正確性，得到做功行程內(nèi)連桿的載徐時(shí)間歷程，并進(jìn)一步分析了慣性載荷對(duì)零部件應(yīng)力場(chǎng)的影響。采用有限元法計(jì)算得到了連桿隨時(shí)間變化的應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)基于應(yīng)力場(chǎng)對(duì)連桿進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測(cè)。
本文以479Q汽油機(jī)為例，建立關(guān)鍵部件的三維模型，為后續(xù)的多體動(dòng)力學(xué)建模提供幾何模型。
采用有限元軟件對(duì)479Q發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿等機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維幾何建模，為了節(jié)省分析時(shí)間且不影響分析精度，建模時(shí)需要省略一些不重要的環(huán)節(jié)。對(duì)連桿螺栓、曲軸等部件根據(jù)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效的原則進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，同時(shí)在建模時(shí)建立與約束副相對(duì)應(yīng)的定位點(diǎn)，并以格式的文件導(dǎo)出。
多剛體系統(tǒng)基本上將沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件或部件稱為“體”，認(rèn)為其具有3個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，降低了自由度數(shù)目。尤其對(duì)于做平面運(yùn)動(dòng)的剛體，只有2個(gè)平動(dòng)自由度和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。剛體由其幾何特性參數(shù)(剛體的幾何形狀、鉸接點(diǎn)、載荷作用位置、結(jié)果的輸出點(diǎn)等)、材料特性參數(shù)(材料密度、摩擦系數(shù))和質(zhì)量特性參數(shù)(質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)等來描述。剛體之間的鉸鏈用來描述各剛體之間的相互連接關(guān)系，主要有滑移鉸、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸、虎克鉸、剛性鉸、球鉸、彈簧阻尼連接等。最終的控制方程基本采用拉格朗日方程或凱恩方程等。
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