汽车发动机曲柄连杆机构运动规律仿真研究

1 课题研究意义

    目前，随着工程技术的发展在研究曲柄连杆机构的运动学和动力学分析方法很多，而且已经较完善和成熟。其中机构运动学分析是研究两个或两个以上物体间的相对运动即位移、速度和加速度随时间变化的关系，动力学则是研究产生运动的力。通过对机构运动学和动力学分析，我们可以清楚了解曲柄连杆机构工作的运动性能、运动规律等，从而可以更好地对机构进行性能分析和产品设计。但是过去由于手段的原因，大部分复杂的机构运动尽管能够给出解析式，却难以计算出供工程使用的计算结果，不得不用粗糙的图解法求得数据。随着计算机的发展，通过计算机辅助设计、校核和计算的系统，可以更直观清晰地了解曲柄连杆机构在运行过程中的受力状态，便于进行精确计算，并绘制受力分析曲线图，对进一步研究内燃机的平衡与振动等均有较为实用的应用价值。

    通过多体动力学软件建立合理的曲柄连杆机构多体学模型，完成一个工作周期的仿真，得到连杆在实际工作周期内的动态边界条件，继而运用有限元分析软件对于连杆进行瞬态动力学分析，得到动力学响应，演示其运行过程中的力学特性，由此可以清楚的了解连杆工作过程中各部分的应力、应变，迅速找到危险部位，为连杆的优化设计奠定基础。

    所以本文运用多体动力学仿真技术，在计算机辅助工程分析软件环境下，结合三维实体建模，有限元分析与柔性体生成技术，多体动力学的动态仿真等手段，研究开发出一种能够较精确分析曲轴在既定工况下动力学响应特性的可行方法。计算零件间的相互作用，分析连杆的动态变形，预测其动态特性，并通过改变其工作过程中的一些条件和因素，使我们能够准确的预测其动态特性，为提高曲柄连杆结构的刚度和强度提供理论基础。

1.1 国内外发展现状

    20纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了CAD的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70年代，完整的CAD系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了CAD技术的发展。目前国外在这方面的技术已经十分成熟，知名的三维CAD软件主要有CATIA，UG，I-DEAS和Pro/Engineer，最近更流行的是基于变量的三维设计软件(I-DEAS)。

    实践上，有限元法己经应用于许多学科，已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用己从分析和校核，扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合。