高強化柴油機結(jié)構(gòu)仿真與分析

前言

高強化柴油機的研發(fā)通常要同時滿足很高的動力性、緊湊性以及輕量化的要求。因此，與其他內(nèi)燃機相比，高強化柴油機的結(jié)構(gòu)強度及可靠性問題尤為突出。然而，由于結(jié)構(gòu)及工作條件的復(fù)雜性，高強化柴油機的結(jié)構(gòu)強度及可靠性問題通常難以實現(xiàn)實用的解析求解。長期以來，相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)只能通過試驗進(jìn)行實際考核，導(dǎo)致研制周期長、費用高，大大限制了高強化柴油機設(shè)計水平的迅速提高。自20世紀(jì)80年代中后期起，隨著計算機技術(shù)的提高以及計算機輔助設(shè)計與分析軟件的實用化，數(shù)值仿真逐漸成為分析和解決復(fù)雜工程問題的有效途徑，高強化柴油機的結(jié)構(gòu)強度及可靠性問題的數(shù)值仿真與分析技術(shù)也因此成為內(nèi)燃機工程領(lǐng)域的重要課題。近年來，北京理工大學(xué)動力機械仿真研究中心緊密結(jié)合我國多個型號高強化柴油機的研制任務(wù)，重點針對如何提高仿真分析的精度和效率開展研究，完成了大量的高強化柴油機結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真與分析工作。內(nèi)容主要涉及：①氣缸蓋、機體、曲軸、連桿、活塞以及螺栓等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)、動力學(xué)有限元計算；②柴油機軸系扭振軟件開發(fā)以及非線性扭振分析；③氣缸蓋、活塞等受熱件溫度場有限元計算；④曲柄連桿機構(gòu)和配氣機構(gòu)的多體運動學(xué)動力學(xué)分析；⑤整機主體結(jié)構(gòu)振動及輻射噪聲預(yù)測等。這些工作所取得的研究結(jié)果，有的為解釋和解決高強化柴油機研制過程中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)強度及可靠性問題提供了參考，有的則為設(shè)計初期開展結(jié)構(gòu)多方案選型提供了依據(jù)。同時，這些研究工作也為推動我國高強化柴油機由經(jīng)驗設(shè)計逐步走向預(yù)測設(shè)計做出了貢獻(xiàn)。全書由左正興教授負(fù)責(zé)統(tǒng)稿，第1章、第2章和第3章主要由廖日東副教授負(fù)責(zé)撰寫，第6章以及第8章主要由馮慧華副教授負(fù)責(zé)撰寫，第4章、第5章和第7章主要由向建華講師負(fù)責(zé)撰寫。需要指出的是，多位畢業(yè)于我中心的研究生也參與了書中的部分研究工作，其中主要包括談卓君博士、張保成博士、李濤博士、孫宇娟博士、王媛碩士、朱冬碩士等。在此，我們向他們表示衷心的感謝！本書的研究工作一直得到了行業(yè)內(nèi)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及專家的大力支持。特別需要感謝的是中國兵器工業(yè)集團第70研究所張樹勇研究員、王增全研究員、岳文忠研究員、鄭長虹研究員、張稀林研究員、張儒華研究員、中國兵器科學(xué)研究院曲振玲高級工程師等。沒有他們的關(guān)心和支持，本書的許多工作是難以開展的。該書涉及面廣。雖然我中心在諸多方面都已開展了一定的研究，但書中所包含的僅是作者們所取得成果中相對成熟的部分。限于作者的學(xué)識與水平，書中錯誤與不當(dāng)之處在所難免，我們真誠歡迎大家批評、指正。

內(nèi)容概要

本書針對高強化柴油機結(jié)構(gòu)仿真和分析中的部分關(guān)鍵問題，介紹了作者在高強化柴油機的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能分解與特征建模、結(jié)構(gòu)有限元計算離散誤差分析與應(yīng)用、零部件模態(tài)計算建模與分析、微動作用的有限元計算與分析、曲軸動力學(xué)有限元計算與分析、機構(gòu)運動學(xué)動力學(xué)分析和整機結(jié)構(gòu)聲輻射數(shù)值建模與分析等方面取得的研究成果。書中除了對結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真和分析方法進(jìn)行了闡述，還利用一定篇幅對其在典型高強化柴油機結(jié)構(gòu)上的具體應(yīng)用進(jìn)行了介紹。    本書可作為高等院校內(nèi)燃機專業(yè)研究生的參考書，也可供相關(guān)專業(yè)的高校教師、工程技術(shù)人員和科技工作者參考。

書籍目錄

第1章  復(fù)雜結(jié)構(gòu)的功能分解與特征建模  1.1  結(jié)構(gòu)功能與特征建模    1.1.1  功能的定義    1.1.2  功能的特點    1.1.3  由“功能”而統(tǒng)一的“特征”定義    1.1.4  基于功能分解的特征建模法  1.2  基于功能分解的內(nèi)燃機復(fù)雜零部件特征建模    1.2.1  基于功能分解的氣缸蓋特征建模    1.2.2  基于功能分解的機體特征建模  1.3  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第2章  結(jié)構(gòu)有限元計算離散誤差分析與應(yīng)用  2.1  有限元離散誤差特性理論    2.1.1  概述    2.1.2  局部誤差與全局誤差的求解    2.1.3  局部誤差與全局誤差影響因素的研究    2.1.4  協(xié)調(diào)有限元誤差的三個推論  2.2  基于光滑位移場的應(yīng)力恢復(fù)方法及自適應(yīng)收斂策略    2.2.1  概述    2.2.2  基于光滑位移場的應(yīng)力恢復(fù)方法    2.2.3  H型自適應(yīng)方法的收斂策略研究  2.3  關(guān)鍵零部件數(shù)值仿真離散誤差控制應(yīng)用研究    2.3.1  概述    2.3.2  氣缸蓋有限元計算離散誤差的收斂性分析    2.3.3  渦輪模態(tài)有限元計算離散誤差的收斂性分析    2.3.4  螺栓螺紋有限元計算離散誤差的收斂性分析    2.3.5  連桿有限元計算離散誤差的收斂性分析    2.3.6  活塞機械應(yīng)力計算中的收斂分析    2.3.7  曲軸有限元計算中的收斂性分析  2.4  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第3章  零部件模態(tài)計算建模與分析  3.1  考慮應(yīng)力剛化、旋轉(zhuǎn)軟化等因素的渦輪模態(tài)計算    3.1.1  概述    3.1.2  恒溫、零速狀態(tài)渦輪葉片的自由振動方程    3.1.3  考慮應(yīng)力剛化影響的渦輪葉片振動方程    3.1.4  考慮旋轉(zhuǎn)軟化效應(yīng)的渦輪葉片振動方程    3.1.5  考慮旋轉(zhuǎn)軟化效應(yīng)的三維振動方程有限元列式    3.1.6  材料參數(shù)、工作溫度對渦輪葉片模態(tài)特性的影響    3.1.7  渦輪模態(tài)計算實例  3.2  摩擦接觸條件下組合結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析    3.2.1  概述    3.2.2  復(fù)雜結(jié)構(gòu)接觸組合剛度理論分析    3.2.3  接觸狀態(tài)下的組合結(jié)構(gòu)模態(tài)研究    3.2.4  接觸狀態(tài)下的內(nèi)燃機整機模態(tài)應(yīng)用研究  3.3  基于模態(tài)方法的高精度高效建模技術(shù)研究    3.3.1  概述    3.3.2  利用模態(tài)試驗計算相關(guān)性研究驗證計算模型精度    3.3.3  利用“精細(xì)模型”進(jìn)行動力學(xué)計算模型的驗證    3.3.4  內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型修正的實現(xiàn)  3.4  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第4章  微動作用的有限元計算與分析  4.1  微動問題理論    4.1.1  微動的基本概念    4.1.2  微動問題的研究方法    4.1.3  微動損傷力學(xué)分析  4.2  上曲軸箱橫隔板微動問題研究    4.2.1  實驗故障分析    4.2.2  簡單平面模型    4.2.3  上曲軸箱橫隔板微動問題平面有限元分析    4.2.4  上曲軸箱橫隔板微動問題三維有限元分析    4.2.5  結(jié)構(gòu)改進(jìn)  4.3  連桿大頭端微動問題數(shù)值分析    4.3.1  計算模型的建立    4.3.2  計算結(jié)果分析    4.3.3  微動作用影響因素的討論  4.4  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第5章  曲軸系統(tǒng)扭振計算與分析  5.1  引言  5.2  軸系扭振模型的建立    5.2.1  扭振微分方程的建立    5.2.2  激振力矩簡諧分析  5.3  扭轉(zhuǎn)振動理論求解    5.3.1  扭振自由振動計算    5.3.2  強迫振動計算  5.4  扭振計算分析軟件的開發(fā)    5.4.1  圖形化建模方法的實現(xiàn)    5.4.2  扭振計算與分析軟件的開發(fā)  5.5  內(nèi)燃機曲軸系統(tǒng)扭振特性計算分析    5.5.1  自由振動計算與分析    5.5.2  強迫振動計算與分析  5.6  扭振中的變慣量問題研究    5.6.1  變慣量理論求解    5.6.2  變慣量扭振模型    5.6.3  實例應(yīng)用研究  5.7  氣缸熄火對扭振特性的影響研究  5.8  扭振中的靈敏度分析及結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改問題研究    5.8.1  固有頻率對慣量和剛度的靈敏度計算    5.8.2  固有頻率的結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改    5.8.3  扭振模型的參數(shù)調(diào)整和扭振計算  5.9  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第6章  曲軸動力學(xué)有限元計算與分析  6.1  引言  6.2  曲軸系動響應(yīng)分析模型的建立    6.2.1  實體及有限元網(wǎng)格模型    6.2.2  基于彈性模量溫控法的時變等效支撐剛度的模擬    6.2.3  采用“單元生死”技術(shù)模擬非純旋轉(zhuǎn)件時變慣量    6.2.4  載荷及邊界條件的施加  6.3  曲軸系動力學(xué)響應(yīng)結(jié)果分析    6.3.1  計及軸向扭轉(zhuǎn)振動耦合效應(yīng)對計算結(jié)果的影響    6.3.2  時變慣量的精確模擬對響應(yīng)計算結(jié)果的影響     6.3.3  支撐剛度模擬方式對計算結(jié)果的影響    6.3.4  不同轉(zhuǎn)速下曲軸動態(tài)位移應(yīng)力結(jié)果對比  6.4  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第7章  機構(gòu)運動學(xué)動力學(xué)分析  7.1  引言  7.2  多體動力學(xué)理論分析基礎(chǔ)    7.2.1  多剛體動力學(xué)理論    7.2.2  多柔體動力學(xué)理論  7.3  運動機構(gòu)多體動力學(xué)模型的建立    7.3.1  多剛體系統(tǒng)仿真模型    7.3.2  多柔體系統(tǒng)仿真模型    7.3.3  主軸頸滑動軸承潤滑模型    7.3.4  約束和載荷的施加  7.4  運動學(xué)及動力學(xué)特性計算與分析    7.4.1  主要運動件的運動學(xué)特性分析    7.4.2  曲軸齒輪的動力學(xué)分析    7.4.3  曲軸的動力學(xué)分析    7.4.4  連桿載荷計算  7.5  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)第8章  整機結(jié)構(gòu)聲輻射數(shù)值建模與分析  8.1  引言  8.2  柴油機結(jié)構(gòu)聲輻射分析的理論基礎(chǔ)    8.2.1  結(jié)構(gòu)動力學(xué)相關(guān)理論    8.2.2  結(jié)構(gòu)聲輻射相關(guān)理論基礎(chǔ)  8.3  內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)輻射噪聲產(chǎn)生機理  8.4  中低頻域內(nèi)燃機聲場分析模型的建立    8.4.1  建立整機振聲分析的結(jié)構(gòu)模型    8.4.2  建立整機振聲分析的聲學(xué)流體模型    8.4.3  整機結(jié)構(gòu)聲輻射問題的求解  8.5  整機結(jié)構(gòu)近、遠(yuǎn)場聲輻射計算結(jié)果    8.5.1  整機結(jié)構(gòu)表面及外場聲壓級和聲強分布結(jié)果     8.5.2  聲輻射功率和輻射效率結(jié)果    8.5.3  部件及主要聲輻射表面對聲學(xué)結(jié)果的貢獻(xiàn)  8.6  結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化實例  8.7  局部流域?qū)β晥龇抡娼Y(jié)果的影響    8.7.1  包含局部流域的整機聲學(xué)模型的建立    8.7.2  計算結(jié)果對比與分析  8.8  面向設(shè)計的內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)聲學(xué)優(yōu)化技術(shù)    8.8.1  樣機總體方案設(shè)計和先期研究階段    8.8.2  樣機工程設(shè)計、試制和試驗階段  8.9  本章小結(jié)  參考文獻(xiàn)

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