12_基于曲轴不同建模方法的动力学仿真结果的比较_泛亚_朱德隽等

基于曲轴基于曲轴不同建模动力学仿真结果的比较曲轴不同建模方法不同建模方法的方法的动力学仿真仿真结果的比较 结果的比较 朱德隽 陈凯 潘琼瑶 （泛亚汽车技术中心，上海市浦东新区龙东大道3999号） 摘 要 要：本文将利用EXCITE软件，在不同曲轴建模形式下（实体单元模型和梁-质量单元模型），搭建仿真模型，通过多体动力学仿真模拟，对比相关计算结果，分析各种建模方式相应的优点和缺点，以及不同方式对最终仿真结果的影响。 关键词：曲轴；实体单元模型；梁-质量单元模型；动力学 主要软件：AVL EXCITE 1. 前言 计算机仿真技术已经被广泛的应用于发动机的设计初期和优化改进中，其中多体动力学仿真技术也是日趋成熟。曲轴是发动机可靠运行的关键部件之一，也是动力学仿真的核心部件，对于保证计算结果的准确性起到了关键作用。不同的曲轴建模形式(实体单元模型和梁质量单元模型)具有各自相应的优点和缺点，也给最终的仿真过程和结果带来了不同的影响。分析者应该选择最适合分析环境，最能够评判相关结果准确性的建模方法加以采用。 2. 分析流程分析流程简述流程简述 2.1 总体计算流程 图1 曲轴多体动力学仿真计算总流程图 2008 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 -1 多体动力学仿真是将原有的非线性机械系统转化成各个线弹性体的子系统，包括曲轴，连杆，轴承座和连接这些子系统间的非线性耦合单元。对于线弹性体单元来说，EXCITE软件又提供了几种不同的体单元类型，包括用来模拟不动刚性部件的ANCH单元，模拟拥有小全局运动弹性体的SMOT单元和模拟大平移运动弹性体的TMOT单元。此外，核心仿真部件的曲轴拥有两种单元类型：实体单元缩减模型CON6单元和Shaft Modeler生成的梁-质量单元缩减模型NOD6单元。图1是曲轴多体动力学仿真的总流程图，其中虚线框标识的步骤就是选择不同类型的曲轴模型。 2.2 曲轴实体单元模型建模流程（曲轴实体单元模型建模流程（CON6类型）类型） 图2 曲轴实体单元模型建模流程图 CON6曲轴模型是用实体单元进行建模，为了保证网格规模，常常是用六面体单元进行

网格划分。为减少仿真过程中的计算量，在建立曲轴实体模型后，需要引入子结构法，对原有限元模型定义主自由度，用有限元模态分析求解器进行静/动缩减。缩减后的子结构表征原结构质量和刚度，固有频率和模态。子结构上的节点可施加外力和力矩，也耦合部件间的相互作用，传递载荷。子结构主自由度可以表征部件运动和变形。 2008 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 2 2.3 曲轴梁-NOD6类型） 曲轴梁-质量单元模型建模流程（ 图3 曲轴梁-质量单元模型建模流程图 NOD6曲轴模型是在读取3D数模后，利用AUTOSHAFT自动识别曲拐等复杂结构，

并分割和计算复杂单元质量和刚度。自动生成模型文件，包括质量/惯量/刚度信息。将这些信息导入到Shaft Modeler中，组装质量/刚度矩阵。 3. 曲轴系多体动力学仿真模型的建立曲轴系多体动力学仿真模型的建立 模型的建立 3.1 曲曲模型的模型的建立 曲轴系主要由曲轴，飞轮，皮带轮组成。对于不同类型的曲轴模型，所需要的CAD数模也有一些不同要求。梁-质量单元模型对CAD模型质量要求比较高，并且多个部件在CAD软件中必须被装配成一个体，不能存在公共面。实体单元模型由于是分析人员自己建立曲轴网格，所以对CAD模型质量的要求不是这么苛刻，且多个部件之间可以是体和体的关系，统一在有限元前处理软件中处理。但不论是哪种方法，最终我们得到的都是等价的动力学结构模型。这里有一点不得不提，梁-质量单元模型在处理类似于飞轮这样的复杂件时引入了一个两质量单元的概念。在以前模型的处理中，飞轮往往是被作为一个大的、整体的转动惯量加入到模型中，忽略了飞轮本身也是个弹性体。这样可能会造成，与飞轮相接的最后一个轴颈的连接刚度不足，从而恶化了最后一拐圆角处的应力状态，放大了飞轮的“点头”的效果。所以我们在动力学仿真的时候，同样也会比较一下，把飞轮处理成两质量和单质量后，对最终结果的影响。图4展示了模型建立的各个主要阶段。 2008 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 3 图4 曲轴模型建立的各个主要阶段示意图 曲轴轴轴轴比比 3.2 曲如果两个系统动力学等效，那么两者的固有频率和振型基本不会有很大变化。从下列图表中的模态特征值和振型的对比来看，三个不同曲轴建模形式的系统，动力学基本等效。 2008 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 4 表1 曲轴前7阶模态特征值 图5 曲轴前6阶模态振型图 2008 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 5 整轴整整整整 3.3 整Excite利用各个专业模块构建曲轴系多体动力学仿真系统，分析的类型不仅局限于曲轴

的结构强度，还可以扩展到液力轴承，缸体支承，连杆等相关部件。由于不管用哪种曲轴类型建模，除了曲轴模型以外的其他模型都是一样的，所以这里也就省略了其他模型的建模过程。图6表示的是整体模型。图7表示的是缩减后的模型相互间的耦合关系。 图6 动力学仿真2D模型 4. 曲轴系多体动力学仿真的结果对比曲轴系多体动力学仿真的结果对比 的结果对比 4.1 主曲主主主主主 轴承载荷包括轴承力和轴承力矩，共同影响轴承和轴荷与轴承作用在主轴颈上的负荷互为反作用力，列图表的分析中，可以看到不同曲轴类型的模型之间有论采用哪种类型的曲轴，无论哪个主轴颈，径向升高，不同曲轴类型，不同主轴颈之间，轴承力和力矩承外的其他主轴承由于受到飞轮的影响非常小，轴承力和力矩的差异很小。而第五主轴承随着转型的不同而不同。其中，CON6和NOD6单质量飞飞轮曲轴来说更大。采用NOD6两质量飞轮能够2000 第第第第第第(1200rpm)1000N)0(-1000Y)( -2000ecr-3000oCON6 轴轴轴(Y)(N)F -4000CON6 轴轴轴(Z)(N)lato-5000NOD6 单单单单单轴轴轴(Y)(N)TNOD6 -6000单单单单单轴轴轴 (Z)(N)NOD6 两单单单单轴轴轴 (Y)(N)-7000NOD6 两单单单单轴轴轴 (Z)(N)-800072081090099010801170126013501440AngR(deg)

图8 第五主轴承力和力矩（第五主轴承力和力矩2008 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 图7 动力学仿真3D模型 颈的工作。轴颈作用在轴承上的负时刻大小相等，方向相反。从对下着这样一些特点。在转速较低时，无都不大，但是随着转速的产生了一些变化。对于除了第五主轴以随着转速的升高，不论哪种类型的曲轴，的升高，径向轴承力和力矩会因为曲轴类轮曲轴的力和力矩相对于NOD6双质量飞轮由于建模带来的额外影响降到最低。 )mm20000第第第第第第第(1200rpm).NCON6 轴轴轴轴 (Y)(N.mm)(sCON6 轴轴轴轴 (Z)(N.mm)y15000sNOD6 单单单单单轴轴轴轴 (Y)(N.mm)c L10000NOD6 单单单单单轴轴轴轴 (Z)(N.mm)ERNOD6 双单单单单轴轴轴轴 (Y)(N.mm) -5000NOD6 双单单单单轴轴轴轴 (Z)(N.mm) Y)( t0nem-5000oM g-10000nira-15000eB72081090099010801170126013501440（低转速）低转速） AngR(deg)6 在作用的轴承力和力矩变化所速把Bearing Moment (Y) - REL csys(N.mm)60004000第第第第第第(6000rpm)150001000050000-5000-10000-15000720810第第第第第第第(6000rpm)Total Force (Y)(N)20000-2000-4000-6000-8000-10000720810900CON6 轴轴轴 (Y)(N)CON6 轴轴轴 (Z)(N)NOD6 单单单单单轴轴轴 (Y)(N)NOD6 单单单单单轴轴轴 (Z)(N)990108012601350NOD6 1170双单单单单轴轴轴 (Y)(N)AngR(deg)NOD6 双单单单单轴轴轴 (Z)(N)1440900CON6 轴轴轴轴 (Y)(N.mm)CON6 轴轴轴轴 (Z)(N.mm)NOD6 单单单单单轴轴轴轴 (Y)(N.mm)NOD6 单单单单单轴轴轴轴 (Z)(N.mm)9901080双单单单单轴轴轴轴11701260 (Y)(N.mm)1350NOD6 AngR(deg)NOD6 双单单单单轴轴轴轴 (Z)(N.mm)1440 1000080006000图9 第三主轴承力和力矩（第三主轴承力和力矩（高转速）高转速） 第第第第第第(6000rpm)Total Force (Y)(N)400020000-2000-4000-6000-8000-10000-1200072081090099010801170AngR(deg)图10 第五主轴承力（第五主轴承力（高转速）高转速） CON6 轴轴轴(Y)(N)CON6 轴轴轴(Z)(N)NOD6 单单单单单轴轴轴 (Y)(N)1260单单单单单轴轴轴13501440NOD6 (Z)(N)NOD6 双单单单单轴轴轴 (Y)(N)NOD6 双单单单单轴轴轴 (Z)(N)Bearing Moment (Y) - REL csys(N.mm)第第第第第第第(6000rpm)2500020000150001000050000-5000-10000-15000-200007208109009901080AngR(deg)CON6 轴轴轴轴(Y)(N.mm)CON6 轴轴轴轴(Z)(N.mm)1170126013501440NOD6 单单单单单轴轴轴轴(Y)(N.mm)NOD6 单单单单单轴轴轴轴(Z)(N.mm)NOD6 双单单单单轴轴轴轴(Y)(N.mm)NOD6 双单单单单轴轴轴轴(Z)(N.mm)图11 第五主轴承力矩（第五主轴承力矩（高转速）高转速） 2008 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 7 应计计计计 4.2 应不管用哪种类型的曲轴，动力学分析都给我们提供了相应的位移结果。CON6类型曲轴通过数据恢复生成一个INP4文件，其中包括所有压缩自由度在一个转速下所有工况的位移，速度和加速度信息。有了这些信息，通过有限元软件，对整体曲轴在一个稳态转速下进行瞬态应力分析。NOD6类型的曲轴可以输出感兴趣的半拐两端轴颈截面中心点的6个方向自由度相对位移结果，对半拐在所有转角工况下进行准静态的应力分析。下面比较一下不同类型模型在同一稳态转速下，在第8拐曲柄销圆角相同位置处的动态应力结果。 Von Mises应应（6000rpm）250CON6曲曲曲曲(N/mm^2)NOD6两两两两两曲曲曲曲(N/mm^2)200NOD6单两两两两曲曲曲曲(N/mm^2))2^m150m/N(2 100loC500020406080100120140160Col 1(-)最最最应应（6000rpm）200CON6曲曲曲曲(N/mm^2)NOD6两两两两两曲曲曲曲(N/mm^2)150NOD6单两两两两曲曲曲曲(N/mm^2))2^m100m/N(2 50loC0-50020406080100120140160Col 1(-) 图12 不同曲轴类型第不同曲轴类型第8拐曲柄销圆角处应力历程拐曲柄销圆角处应力历程（处应力历程（6000rpm） 图12展示了不同类型曲轴之间同一位置处在整个循环工况内的应力历程。可以看出CON6曲轴和NOD6两质量飞轮曲轴之间的应力历程较为相似，而和NOD6单质量飞轮曲

轴之间差异较大。这种区别应该是由于不同飞轮处理方式引起的飞轮振动情况的差异造成的。建议NOD6模型尽量不采用单质量飞轮建模。从应力幅值来看，CON6曲轴的结果更趋于保守，最大值相比NOD6两质量飞轮曲轴大出25%多，这样的差别可能是几种原因造成的。首先，CON6曲轴类型是基于瞬态动应力的恢复结果，而NOD6是基于准静态的应力计算结果。这可能会造成一定的差异。其次，CON6曲轴类型对于飞轮模型的处理也会放大最

2008 AVL先进模拟技术中国用户大会论文 8 后一拐的飞轮“点头”的效果。从而增加最后一拐的弯矩。另外，不同的运算软件和处理模型时的不完全一致也有可能造成这种差异。 5. 结语 通过对于EXCITE的多体动力学仿真计算结果的对比，可以了解不同曲轴建模类型下，

各自的一些特点，并对最终结果的影响。对于NOD6类型曲轴，建模过程主要有软件自动识别，相对来说人的参与因素比较少，这样可以减少一些随机因素的影响，使不同模型之间更具有比较意义，但是软件识别的范围总是有限的，所以如果有一些超出常规经验的结构，或者超出识别范围的结构就无法采用这种方法了。并且识别曲轴对如果没有质量较高的数模，NOD6曲轴相反。分析人员能够自主掌握建模过程，一些主观随机的影响因素，降低了模型的对比性。同时，模型大，花费的时间也相对较长。型总的趋势是一致的，员可以根据自己的实际 参考文献 [1] AVL EXCITE用户手册，[2] AVL ShaftModeler用户手册，2008 AVL先进模拟技术中国用户大会论文那么这种方法也是不能使用的。能够主导相关的一些过程，对于最终的应力计算结果，映实际的工作情况，确定采用哪种类型的建模形2007.2 2008.2 CAD数模的要求很高，CON6曲轴的优点和缺点正好和CON6模型的工作量也比CON6和NOD6要试验作进一步的对比。 NOD69 这可能引入

两质量飞轮模哪个更能反还需分析人情况式。