某卧式单缸柴油机气缸系统的运动仿真分析

余东满 李晓静

摘要：以某农机卧式单缸柴油机气缸曲轴系统模型为例进行运动分析，在耐久性模块下完成仿真后，采用后处理模块进行数据的后处理。从应力云图中找到气缸系统的最大应力，从应变云图中找到系统的最大应变。结合FFT曲线图及3DFFT曲线图进行分析，发现样机模型中曲轴的谱密度幅值的峰值分别发生在55、128和200 Hz处，连杆谱密度幅值的最大峰值发生在175 Hz处，较小峰值发生在50、90和125 Hz处。研究结果可为模型系统性能的研究提供一定的依据。

关键词：虚拟样机;运动仿真;傅里叶变换分析

中图分类号：TK42        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2015）23-6030-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.060

Motion Simulation Analyses for Cylinder System of Horizontal Single Cylinder Diesel

YU Dong-man，LI Xiao-jing

（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，Henan，China）

Abstract： A model of cylinder crankshaft system in single cylinder diesel was selected as an example to study motion analysis，after completing the simulation operation in Adams/Durability module，the data were processed in Adams/Postprocessor module. The maximum stress of the cylinder system was found from the stress nephogram， and the maximum strain for the system found from the strain contours. Combining with the FFT graph and 3DFFT graph， it was found that the peak value of spectral density for the crankshaft occurred at 55，128 and 200 Hz in the dynamic model， the maximum peak of amplitude spectrum density for connecting rod occurred at 175 Hz，the smaller peak value occurred at 50，90 and 125 Hz，which could provide some references for the study of model system performance.

Key words： virtual prototype; motion simulation; Fourier transform analysis

农业机械的动力多选用卧式单缸四冲程柴油机。气缸是发动机的核心，为了保证密封效果，在密封面安装有衬垫，活塞在缸套内以低副形式滑动。曲轴限制在轴承座内实现高速运动，将活塞的直线往复运动转化为圆周旋转运动。气缸元器件的结构设计直接影响农机工作系统的稳定性，有缺陷的气缸结构可能会导致功能失效，甚至重大损失[1]。有限元法是一种多物理场分析技术，能够对农机的各类工程问题进行计算和分析。采用有限元分析的方法对气缸元器件进行分析有助于验证设计质量，提高系统可靠度[2]。使用Adams等系统仿真软件，可以在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，不断修改设计缺陷以改进系统，直到获得最优设计方案，最终做出比较理想的物理样机。Adams软件是由美国MSC公司开发的机械系统动态仿真软件，广泛应用于工程机械、农业机械、汽车制造、铁路车辆等领域[3]。

仿真分析可以减少物理试验，避免设计和加工改变而导致的重大损失。通过模拟优化物理试验载荷谱，大幅减少试验时间和成本。通过产品设计中对动力性和耐久性的考虑，降低用户保修成本[4]。气缸体和曲轴系统的工作条件十分恶劣。压力和温度等参数的剧烈变化以及机械运动的强烈摩擦会降低产品的使用寿命。因此，它应具有足够的机械稳定性和使用寿命。为此，本研究以某农机卧式单缸柴油机气缸曲轴的虚拟模型为研究对象，开展运动分析，查看模型的应力和应变信息以及运动过程中的振动特性[5]。

1  建立样机模型

在Solidworks软件中建立气缸曲轴样机的三维模型（图1），导入Adams软件环境中。该样机模型包括气缸、连杆、曲轴和虚件4部分。模型中各个部件之间的副约束定义如下：曲轴和虚件、地面和曲轴以及气缸和连杆，这3个部件为球副约束;地面和虚件之间为固定副约束;气缸和地面之间为滑移副约束;曲轴和连杆之间为旋转副约束。在虚件位置建立样机的驱动（Impose motion），定义驱动过程的运行时间函数为step（time，0，0，0.05，32 000 d）。在Adams软件界面加载耐久性分析模块（Adams/Durability），通过仿真选项Simulation进入仿真对话框，设置结束时间End Time为1，设置仿真步长Steps为500。

2  仿真结果的后处理

Adams配置了若干工具包用于对曲线图的处理。在Adams的后处理环境中，可以完成4种模式的处理：Ploting（绘制曲线图）、Animation（仿真动画）、Report（报告）、3DPloting（三维曲线）。实现虚拟动画演示、模型运动过程的展示、干涉间隙计算与预警等。数据曲线结果的处理一般包括滤波、快速傅里叶变换（FFT）和创建伯德图。可以利用输入试验数据并绘图来对比模拟分析结果的准确性。

2.1  曲线数据处理

为了清楚模型的特性，一般要将运算结果以曲线图的形式描绘出来。Adams/Postprocessor仿真绘出模型运算的曲线图，并完成干涉检查等事项，将运算结果以特定的测量方式或图线形式绘制出来。

Adams/Postprocessor 配置了系列工具用来按用户需求处理模型曲线图，选择“View/Toolbar”菜单项，弹出快捷菜单。其中"Curve Edit Toolbar"命令可以展示曲线编辑和运算工具条。“Statistics Toolbar”能够显示曲线统计运算结果工具条。曲线统计运算结果工具条表示出当前数据点的坐标位置等信息。

2.2  曲线数据滤波

消除时域信号中噪声的主要方法是对曲线数据进行滤波，或者强调信号中特定的频域分量。Adams/Postprocessor采用了两种滤波类型，第一种采用Math Works公司开发的Matlab软件中的Butterworth滤波，第二种是直接指定传递函数。滤波方法分为连续滤波和离散滤波。连续滤波将时域信号通过快速傅里叶变换转化到频域，然后将结果函数与滤波函数相乘，再进行逆傅里叶变换。离散滤波直接针对时域信号进行离散滤波操作，在指定时间步长上滤波后的信号是由前面的输入、输出信号和离散传递函数经计算得出的。

2.3  快速傅里叶变换

快速傅里叶变换（FFT）是一种数学运算方法，主要目的是将时域函数映射到正弦分量上[4]。该变换过程中的时间是主要的变量，完成函数向频域的转换过程，将频率部分分离出来并以正弦分量方式表现。Adams/Postprocessor包含FFTMAG法、FFTPHASE法和PSD法。FFTMAG确定FFT算法求出的复数结果的绝对值，后处理模块中横向X轴用频率表示，纵向Y轴是以复数形式表达左半边的频谱，右半边的频谱和左半边的频谱互相对称。FFTPHASE确定标准算法求FFT复数形式的相位角，在特定频率位置给出时域形式数据的相位差，该相位差以等效的正弦函数方式表示。理论上讲，所有以时间为模型的信号，它们的时域和频域都会有同样大小的功率，关注谱分析就是研究频率间隔，包含有功率的成分。PSD曲线通常看上去和FFTMAG曲线相似，但具有不同比例。

3  样机仿真分析

3.1  仿真后处理过程

在加载完成耐久性模块Adams/Durability并完成仿真之后，进入后处理程序Adams/Postprocessor。在“File”菜单下方，单击下拉箭头，从弹出的下拉列表中选择“Animation”。右键单击图形的空白区域，从弹出的窗口中选择“Load Animation”，加载仿真动画。

3.2  生成等效应力和等效应变图

先运行仿真动画，确定在合适的时间选择等效应力和等效应变。单击“Animation”项目显示仿真对话框，在对话栏中单击运行仿真按钮，系统开始运行仿真。在第0.638 s时暂停仿真过程。

查看应力和应变结果。首先查看应力，单击仿真界面下方的“Contour Plots”按钮，系统弹出应力和应变设置对话栏。对云图类型选项“Contour Plot Type”列表中，选择等效应力“Von Mises Stress”，单击图例位置“Lengend Place”下拉列表，选择左侧“Left”，其余参数采用默认。图2显示第0.638 s时系统的等效应力云图。再查看应变，单击仿真界面下方的“Contour Plots”按钮，系统弹出应力和应变设置对话栏。对云图类型选项“Contour Plot Type”列表中，选择等效应变“Von Mises Strain”，单击图例位置“Lengend Place”下拉列表，选择左侧“Left”，其余参数采用默认。图3显示第0.638 s时系统的等效应变云图。

从应力云图中看到，曲轴系统的最大应力为555.73 MPa，已经超出材料许用应力。通常情况下，机械结构系统的强度设计遵循弹性失效形式的破坏规则，也就是结构中的薄膜应力小于金属材料的许用应力。结构中的薄膜应力、弯曲应力存在局部性特点和不均匀的特性。如果金属部件中的最大应力超出了材料的屈服强度，也只是造成特定部位的屈服，非作用部位依然保持弹性变形特性，而且对局部的屈服现象有制约，不会导致结构系统的全局破坏。因此，在结构设计过程中按照弹性准则进行。允许局部薄膜应力、弯曲应力在较大的范围内变化，也即许可局部较大的塑性变形，这就是“塑性失效设计准则”。从应变云图中看出系统的最大应变为5.33E-3。

单击“File”菜单下方的下拉框，从中选择绘图“Plot”。在资源“Source”栏目中选择对象“Object”，在模型“Model”栏中选择曲轴系统“Crankshaft”，在过滤器“Filter”栏中选择“Body”，在对象“Object”栏中选择曲轴“shaft”，在特征“Characteristic”栏目中单击“CM_Acceleration”，在分量“Component”栏中选择显示形式“Mag”，则系统显示出零部件曲轴的加速度曲线。依同样的方法可以显示出零部件连杆的加速度曲线。

3.3  快速傅里叶变换

一般情况下，要对上面步骤生成的曲线图进行一些特殊操作。在平顺性研究中，往往需要对时域数据进行FFT变换，即快速傅里叶变换以转化到频域，通过频域的特性能够更直观地了解振动能量的频率分布，掌握系统的振动特性。

在菜单栏的“Plot”选项下选中“FFT”，出现“FFT”对话框，设定结束时间为3 s，并完成其余参数，然后选择“Apply”按钮。最后得到加速度的“FFT”曲线。图4为曲轴的加速度曲线及傅里叶变换曲线图，图5为连杆的加速度曲线及傅里叶变换曲线图。从图4可以看出气缸曲轴系统运动过程中，在曲轴的加速度曲线图中有3个较大的波峰，从图5可以看出，在连杆的加速度曲线图中有1个较大的波峰和3个较小的波峰。

3.4  曲线图结果分析

单击菜单选项“Plot”左键选中，系统弹出三维快速傅里叶变换对话框，对FFT 3D对话框进行参数设置后，单击“Apply”按钮生成3DFFT曲线图，即三维快速傅里叶变换曲线图，如图6和图7所示。图6是曲轴加速度的三维傅里叶变换图，图7是连杆加速度的三维傅里叶变换图。由FFT曲线图及3DFFT曲线图综合分析，如上所述加速度的频率特性中，曲轴的谱密度幅值的峰值分别发生在55、128和200 Hz处，连杆谱密度幅值的最大峰值发生在175 Hz处，较小峰值发生在50、90和125 Hz处。据此可进行其他特性的分析，以研究模型系统的性能。

4  小结

以某农机卧式单缸柴油机气缸曲轴系统虚拟样机模型为例进行运动分析，在耐久性模块Adams/Durability下完成仿真之后，采用Adams Postprocessor进行数据的后处理，研究仿真分析过程。从应力云图中看到曲轴系统的最大应力为555.73 MPa，已经超出许用应力，但只能引起某个局部发生屈服，不会造成整体失效。从应变云图中看出系统的最大应变为5.33E-3。

由FFT曲线图及3DFFT曲线图进行分析，发现动力学模型曲轴的谱密度幅值的峰值分别发生在55、128和200 Hz处，连杆谱密度幅值的最大峰值发生在175 Hz处，较小峰值发生在50、90和125 Hz处，试验结果可为模型系统性能的研究提供一定的依据。

参考文献：

[1] 刘亚霞.ADAMS 2012虚拟样机从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2] 郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3] 刘文杰，胡基才，肖晓辉，等.基于ADAMS的架空导线非线性振动动态仿真[J].机械与电子，2004（11）：67-68.

[4] 陈峰华.ADAMS 2012虚拟样机技术从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2013.

[5] 陈志华.MSC Adams多体动力学仿真基础与实例解析[M].北京：中国水利水电出版社，2012.