基于结构分析和多体动力学分析的三维活塞二阶运动分析方法外文翻译资料

基于结构分析和多体动力学分析的三维活塞二阶运动分析方法

摘要

本文介绍了一种新型活塞二阶运动分析方法，可以准确预测发动机运行时的活塞力和拍击噪声。这个二阶运动模型中，挠性材料用于活塞、气缸和气缸盖模型。这可以量化发动机中各区域的变形和二阶运动。这种方法是结构分析和多体动力学分析的耦合。通过与活塞裙部压力和点火时活塞二阶运动的测量数据比较验证了新型分析方法所获得的结果的准确性。为了测量活塞裙部压力，使用一种新开发的电动遥测测量系统。发动机各转速下计算结果与活塞裙部压力和二阶运动测量结果接近。同样对比了气缸加速振动时的结果，来确定活塞销偏置和活塞裙刚度对活塞敲击噪声的影响。这些加速振动的计算结果也与测量结果相匹配。通过这些结果,证实该方法是一种有效的比较在不同规格活塞的工具。这种开发方法可以检查在最小敲击噪声下加载但仍耐用的活塞的规格。

简介

近年来，降低二氧化碳排放的要求越来越高。在发动机设计中，为了减少摩擦，提高燃油效率，活塞需要轻量化。然而，轻质活塞往往不耐用，而且会产生较大的拍击噪声。在减少使活塞头部区域壁厚的同时保证其在燃烧压力和高温下的耐用性是极其困难的。而如果活塞裙部壁厚变薄，则它的强度不够，可能会导致开裂。如果减小或死啊高度，又会导致活塞二阶运动倾向增大，产生更大的敲击噪声。

有关使用活塞二阶运动仿真分析测试活塞耐久性，摩擦力和敲击噪声的分析手段方面的报告已经非常多了。其中大多数采用刚性材料或伪柔性材料作为活塞和气缸的模型。在参考文献2中，使用了柔性材料作为一个简化的尺寸模型，以提高分析的精度。它的运动受到限制，被视为一个伪柔性体。然而，这些模型在弹性变形下，难以重现活塞和气缸之间反复接触的现象。因此，这些分析的结果主要是定性，这也正是它们用于开发新产品活塞设计中的不足之处。

这意味着我们需要一个能够准确的定量预测活塞裙部应力和活塞敲击噪音的工具。 为了满足这一需求，已经开发了结合结构分析和多体动力学分析的数值模拟仿真方法。 本文讨论了这种仿真方法的细节，介绍了成熟的测试技术来测试仿真的准确性，并给出了这种仿真方法应用的具体例子。

活塞二阶运动仿真

分析方法概要

通常利用模态综合法将柔性体作为多体动力学分析的样本。模态综合法可在特征向量层下重现弹性变形。这可以模拟整体变形，但很难模拟局部变形，也就是说，它难以再现活塞裙部和气缸套之间的接触。本研究中，这个问题是通过使用新的多体动力学分析软件解决的，这个软件可以通过使用直接求解程序考虑局部变形进行结构分析。图1显示了多柔体动力学（中位数）的模型图，这种分析方法用于多体动力学分析软件。只有高精度领域需要使用直接求解程序的结构分析模型。刚体可以用于其他所有部分，减轻计算负荷。

图1.基于结构分析和多体动力学分析的分析方法

具体来说，有限元方法（FEM）用于制作活塞，气缸，曲轴箱和气缸盖的柔性体模型，并使用刚体制作其余的模型。 然后使用多体动力学分析软件进行结构分析和多体动力学分析的组合。 该模型对活塞和气缸套之间的接触模型不适用弹性流体动力学（Elasto Hydro Dynamics），但在本研究中使用接触刚度系数和阻尼系数。

柔性体

在该分析方法中，必须使用燃烧条件下的详细形状构建活塞、气缸和曲轴箱的柔性体模型。 通过对采用螺栓连接的带有气缸盖和曲轴箱上的气缸进行模拟，分析气缸内壁的变形。 考虑热变形条件，基于从实际测量数据估计的温度分布和线性膨胀系数的数据来计算变形幅度。 这样可以构建柔性体模型，使其气缸的内壁以与实际发动机中相同的方式变形。图2显示了气缸体有限元模型。

对于活塞，其三维模型在圆周方向上具有椭圆形状，在垂直方向上具有锥形形状，以此再现其实际的裙部形状。 通过进行热传递分析和热应力分析反来映真实活塞的热变形。图3显示了活塞有限元模型。

图2.气缸体有限元模型

图3.活塞有限元模型

仿真概要

建立多体动力学分析模型和图1和图2所示的有限元分析模型反映发动机规格。对于没有采用有限元模型重建的活塞销，连杆和曲轴的模型，已经通过三维模型预先计算了质量，重心和惯性矩。然后将这些数值应用于构建好的刚体模型，以计算活塞的二阶运动。图4显示了活塞变形和应力的计算结果。燃烧压力达到最大值后，推力侧的活塞裙拍击套筒，引起活塞裙部变形。然而，由于活塞销是采用刚体模型，不考虑对活塞销变形的影响。图5显示出了气缸套的应力边界的计算结果。活塞推力方向在下止点发生改变。该图显示，在这一点上，活塞裙部敲击气缸套引起较大压力。

图4.活塞变形和压力计算

计算结果及其验证

验证项目

将发动机运转时的测量结果与仿真计算结果进行对比。具体地说，验证在点火过程中产生的活塞裙部压力和活塞形态。

活塞应力测量系统

测量活塞应力和温度的方法之一是在发动机中建立连杆机构。这通常被称为“链接方法”。链接方法由连杆机构组成，将引导线放在连杆上，并将引线从发动机外部取出。然而，用于摩托车的发动机以高转速驱动并且与用于四轮车辆的发动机相比更紧凑。当将链接方法应用于摩托车的发动机时，连杆机构的布置和耐久性存在问题。因此，本研究采用遥感测量系统。

图5.气缸套压力计算

通常，按照如下方法使用遥测测量系统来测量活塞裙部应力。将应变计连接到活塞裙部的内侧以测量应力。信号发射器连接到连杆上，应变计的引线插入发射器。发射器由内置发电机或外部电源供电。在发射器附近设置接收器，以记录发射器从应变仪发送的信号。通常，发射器的连杆专门设计成适合发送器的形状。

为此研究建立了一个新的遥测测量系统。该系统比标准遥测测量系统更通用，信号发射器由电池供电。该系统有四个特点。首先，它不需要专门设计的连杆和活塞。因此，可以通过部分改变大批量生产的零件来制备试件。因此，可以缩短从测试部件的准备到实施测量的时间。第二，遥测系统本身也没有特别设计：它是一种多功能的系统，既廉价又高效。第三，遥测系统依靠电池运行，而不是使用内置发电机或感应电源。第四，到活塞的导线从活塞销穿过，可以防止导线缠绕。这可以防止导线在发动机运转期间断开，并允许在高转速期间进行稳定的测量。图6显示了为此研究而建立的系统。应变测量发射器是Datatel dt1001T-ST的商用型号。在进行遥测应变测量之前，对试片进行精密测试。检查了用于应变测量的频带中的几个重要特征，如相位滞后和响应。这可以保证应变测量具有足够的精度。

图6.遥感测量系统

比较活塞裙部应力计算结果和测量结果

上述遥测测量系统用于比较发动机运行时活塞裙部应力的测量结果。本研究使用一台水冷四冲程单缸发动机作为测试发动机。表1显示了发动机规格。图7显示出发动机转速在5000rpm时测量应力与计算应力之间的比较。绝对应力值和应力上升和衰减趋势的计算值与测量值密切相关。图显示了在各种发动机速度下，活塞裙部的应力幅度的测量值与计算值之间的比较。即使发动机转速发生变化，该方法也能准确计算应力。

活塞二阶运动测量系统

接下来，通过将几个间隙传感器放置在气缸中来测量活塞二阶运动。这些传感器测量了活塞和气缸内壁之间的间隙。这些测量用于计算活塞的位移和旋转角度。图9显示出了活塞二阶运动测量系统的结构图。 （后面还描述了加速度传感器）用涡流型间隙传感器排除了油膜对测量精度的影响。该测量使用了与参考文献4中提到的相同的技术。（关于测量技术的细节参考参考文献4）

表1.发动机规格

图7.5000rpm下活塞裙部压力变化测量值与计算值对比

图8.活塞裙部压力振幅测量值与计算值对比

图9.活塞二阶运动测量系统结构图

活塞二阶运动关联

使用上述测量系统来测量燃烧过程中的活塞阶次运动。图10显示出了压缩上止点之后的活塞二阶运动的计算结果和实际测量结果之间的相关性。图11显示出了活塞在活塞销中心轴线周围的旋转角度的计算值与实际测量值之间的相关性。活塞二次运动的计算和测量结果表明，当活塞在压缩上止点之后立即向反推力侧倾斜时，在达到最大的起动压力之后，其迅速回到推力侧。在ATDC 0°至30°范围内，活塞二阶运动重新产生定性变化，但是计算结果并没有产生与活塞二次运动幅度相同的绝对量。这是因为该测量方法通过测量活塞裙部和气缸内壁之间的间隙来计算活塞旋转角度。因此，认为这种差异是由于承受活塞裙部的载荷和热变形的影响而引起的。此外，该结果也被认为是受到该分析方法未使用EHD作为活塞与气缸内壁之间的接触模型的事实的影响。

实际引擎中的应用

活塞敲击噪声的初步评估

由于活塞的规格差异，活塞和气缸内壁之间的间隙以及燃烧压力的水平等因素的影响，很难预测和模拟活塞敲击噪声。传统的抑制噪声的方法需要大量的试验。这些测试必须简单地重复使用许多以前使用过的方法。因此，有时需要大量工时来减少产品开发中的敲击噪声。显然，通过找到一种预测和模拟敲击噪声的方法可以节省大量的时间和劳动力。因此，研究这种模拟方法是否有助于评估不同的活塞规格如何影响拍打噪声。

图10.活塞二阶运动计算值与测量值对比

图11.活塞旋转角度测量值与计算值对比

评估活塞敲击噪声的方法

活塞敲击声是由活塞撞击气缸内壁引起的。这意味着气缸外壁的振动加速度与驾驶员听到的噪音之间存在很高的相关性。因此，使用相对评估方法，测量气缸外壁上的振动加速度，以预测不同的活塞规格对敲击噪声的影响。详情如下。

将加速度传感器安装在气缸的推力侧和反推力侧，测量发动机运转时产生的振动加速度。 （参照图9）采用风冷四冲程单缸发动机作为测试发动机。表2显示了发动机规格。测量条件详见表3。图12表示出了气缸外壁上的振动加速度的测量结果。

表2.发动机规格

表3.活塞敲击噪声测试条件

分析被测波形的结果可以发现，活塞在达到压缩上止点之后，曲轴角度大约在20°-30°左右时，活塞撞击气缸内壁导致波形大幅度变化。这些振幅的变化用于判断活塞敲击噪声。图13显示出了在各种发动机转速下，基于驾驶者的感官等级和气缸外壁上振动加速度的振幅的噪声水平。可以看出两者之间密切相关。因此，该评价方法能够进行活塞敲击噪声的比较评价。

活塞敲击噪声的相关性

用上述发动机验证了活塞撞击噪声的计算结果的有效性。图14显示出了气缸外壁上振动加速度振幅的计算值与测量结果之间的比较。测量各种发动机转速下活塞敲击噪声相应的振动加速度。绘制连接测量平均值点的连线，每个点在整个测量范围内表示每500rpm发动机转速范围的平均值。气缸外壁振动加速度的计算结果与测量值相似。结果证实，该分析方法可以准确地模拟活塞打敲击噪声，并且可以预测产生较大活塞敲击噪声的发动机转速范围。

活塞规格对活塞敲击噪声的影响

通过使用这种分析方法验证了不同活塞规格对敲击噪声的影响。活塞规格的差异在于活塞销偏置和活塞裙刚度。

活塞销偏置对敲击噪声的影响

对活塞在活塞销零偏置和活塞销偏置1mm情况下在推力侧进行了测试。图15分别显示出了气缸外壁上的振动加速度的计算结果和测量结果。

测量结果表明，推力侧的活塞销偏置减小了气缸的振动加速度。计算结果也准确预测了

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