AVL-EXCITE-Piston-and-Rings学习整理

AVLEXCITEPiston＆Rings软件学习交流1.1概述EXCITEPiston＆Rings软件是AVLWorkspace系统中的一个应用软件模块，为原GLIDE的升级版本，该系统具有常规的友好用户界面的模拟环境。模型通过使用通用的图形块编辑器而建立，用预制模板生成2D曲线和3D动画结果。图1-1给出了活塞组件的模拟模型。图1-1活塞组件模型作为GLIDE的新版本，软件增加了一些新功能，主要有：（1）增加了润滑油种类的选择；（2）增加了燃气压力曲线或热力边界随转速变化的插值；（3）增加了便准报告输出；（4）增加了Cranktrainglobal对话框图片显示，如图1-2；（5）可定义多个活塞型线和缸套型线，选择使用。图1-2CrankTrainGlobals对话框及图片显示EXCITEPiston＆Rings模块专门针对往复式内燃机活塞系统运动特性进行开发设计。软件可以进行高效的活塞运动分析模拟计算，不论是针对单体活塞还是复合结构活塞，都能进行特性分析，给出可信的结果。软件中的解析公式认为活塞-缸套的分界面为块状质量，具有三个自由度。模型可模拟单体活塞或者复合式活塞，并加上刚性联结的连杆后，模型建立完成。活塞的运动由缸套来约束，关于三维的活塞-缸套相互作用关系，软件考虑了活塞和缸套在轴向和周向的形状。活塞轮廓线在径向方向上还具有弹性。在三维活塞-缸套相互作用仿真中，活塞和缸套视为集中质量，并考虑活塞和缸套表面的轴向和周向轮廓，以及活塞径向刚度。活塞的运动受到气缸压力、惯性力、绕活塞销轴线的转动力矩、连杆的反作用力和摩擦力等的影响。对活塞动力学分析，软件能对燃烧运行的发动机活塞、活塞环、缸套组件进行二阶运动分析，获得活塞运动的动态成分：弹性接触力、摩擦损失和动能。因此，计算结果也显示了优化目标，如：降低摩擦损失和磨损、减小活塞敲击噪声、减小缸套穴蚀等。在此基础上，可以进行活塞环的动态分析和机油消耗模拟分析。通过联结发动机结构强迫振动分析软件，还可进一步对活塞敲击噪声进行预测。发动机活塞环的密封效果影响漏气量和机油消耗，为了实现优化设计目标，有必要对活塞环动力学进行精确分析。本软件可以精确模拟活塞环及环槽几何形状特性，对活塞环和活塞、缸套之间的动力润滑特性进行模拟分析，给出发动机在特定工况下活塞组件之间的相互作用情况，包括活塞环缸套之间的相互作用力、各环的油膜分布状况和油膜压力等；软件可以分析改进设计前后的活塞和活塞环，了解设计改进对机油消耗、漏气量和摩擦的影响。计算考虑了活塞径向运动和摆动、环惯性、活塞-活塞环-缸套之间的摩擦及燃气经环的迷宫窜入曲轴箱的气体流动等动载因素对环运动的影响。1.2模型假设作为功能强大的计算分析软件，AVLEXCITEPiston＆Rings在计算时，进行了多项假设，具体如下：对活塞动力学：（1）仅考虑在TS和ATS构成的平面中的活塞运动：仅列出该平面中的动力学方程；（2）曲轴恒速旋转：不考虑任何转速不均匀性造成的影响；（3）为简化模型，缸套、连杆和曲轴都是刚性的，绞连接间隙为零；（4）活塞和缸套多项式轮廓：用多项式来拟合表面，并进行插值；（5）径向弹性体活塞：仅考虑活塞在半径上的变形，用径向刚度来表明其在一定力作用下的变形；（6）活塞与缸套见阻尼力，取决于变形速度；（7）活塞/环侧/缸套间和连杆轴承处的摩擦系数，用Stribeck摩擦函数：与相对速度和方向有关的函数；)(2vDCvBvAvf⋅++⋅+⋅=µ（1-1）式中：µ-摩擦系数；v-动力粘度，Pa.s；A、B、C、D-相关系数。对于中速柴油机，活塞/缸套间的摩擦函数，相关参数取值如下：A取0.057s/mm，B取0，C取1500mm/s，D取3.6e-006s/mm。连杆大头处A取0，B取500，C取0，D取0。连杆小头处A取0.5s/mm,B取0，C取200mm/s,D取2e-005s/mm。（8）活塞环/缸套间摩擦力根据FVV的摩擦参数：与活塞直径、活塞轴向速度，运动方向、润滑油温度、燃烧压力（1-2）对活塞环动力学：（1）一般假设在推力和反推力面同时计算；沿轴向定常条件；径向摩擦力和摩擦函数。（2）考虑气体流动与节流阀连接的容积系统的拟静态分析；等热流动。（3）考虑液体动力学平面滑块；牛顿流体特性；图1-3活塞环组近似容积系统示意图图1-4液体动力学雷诺方程示意图液体流动的计算是基于平滑块的雷诺方程：ththUxphx∂∂⋅⋅+∂∂⋅⋅⋅=∂∂⋅⋅∂∂ηη126)(3（1-3）式中：η-机油粘度；h-油膜厚度；p-油膜压力；U-相对速度。该公式说明了油膜厚度、油膜压力、相对速度、机油粘度在时间（t）和空间(x)上的相互关系。油膜流动的雷诺方程示意图见1-4。1.3软件功能简介由于专门针对往复式内燃机活塞系统运动特性进行开发设计，因而具有很强的专业性。软件可以进行活塞动力学的分析，计算出活塞运动的动态成分，包括活塞销的运动速度和加速度，活塞敲击动能、活塞侧向位移量、侧向运动速度和加速度、活塞摆角、摆头的速度和加速度等运动参数以及活塞-缸套之间的弹性接触力、活塞-活塞环之间的弹性接触力、惯性力等力的参数。软件可以进行活塞环组的动力学分析，可以获得窜气量的动态数据和总的数据，进行机油消耗的分析，获得油膜分布的情况，通过动态显示可以获得活塞及活塞环的3D动画显示，在理论上有针对性的提供改进方向。根据相关分析结果，可以对活塞环组的设计提供参考依据。通过联结发动机结构强迫振动分析软件，还可进一步对活塞敲击噪声进行预测。通过活塞/环/缸套间摩擦力的分析，可以对摩擦副的运行情况进行综合判定，对摩擦副的磨损状况进行分析，找到磨损较严重的区域以及确定优化方向。对一些设计参数，可以进行趋势性分析，找到相关变量的内在联系，获得对比结果，为优化设计提供参考。如活塞，可以针对裙部高度、裙部型线、刚度大小、接触区域、火力岸高度、环槽结构等多个参数进行理论结合实际的改动，确定理想的结构特性。活塞环，则可以针对活塞环运动表面型线结构、环高、环端间隙和倒角、环开口位置等具体参数进行对比分析，以期获得较好的结构，同时针对环组的具体配合，得到合适的活塞环组结构。1.4数据流程软件应用时，相关数据具有一定的内在逻辑联系，总的流程处理如图1-5所示。图1-5软件运行数据流1.4.1活塞动力学分析数据输入活塞动力学分析是软件最基本的一项功能，根据具体活塞的结构特点选择软件模块建立如图1-1所示的活塞组件模型，在此基础上进行相关参数的设置。（1）CrankTrainGlobals数据设置缸径、曲柄半径、连杆长度、活塞销的偏心量、活塞销中心距离活塞顶部的距离、冲程数等参数在CrankTrainGlobals对话框中设定，如下图。图1-6CrankTrainGlobals对话框参数设置对于某些发动机结构布置，缸套中心线与曲柄半径间存在夹角，如图，在ClinderAngle中设定；活塞销孔中心与缸套中心线存在偏移时，如果销孔中心向副承压面方向（ATS）偏移，则偏移量取正值，反之，销孔中心向主承压面方向（TS）偏移，则偏移量取负值；曲轴中心线与缸套中心线偏移的数值正负也同销孔偏心量的设置。（2）缸内爆发压力数据导入缸内爆发压力数据作为一组重要参数，直接关系到活塞-活塞环-缸套系统之间的相互作用状况，必须给出准确的数值。一般通过实验测量获得缸内爆发压力数据，给出具体转速下缸内爆发压力随曲轴转角变化关系数值，曲轴转角间隔一般取1°CA，并准确导入模型。其中，曲轴转角的设置应该保持720度转角下的封闭，如图1-7所示，若曲轴转角设置从-90°CA开始，则终止于630°CA。其中0°CA为压缩上止点，0°CA-180°CA为做功冲程，180°CA-360°CA为排气冲程，360°CA-540°CA为进气冲程，540°CA-720°CA为压缩冲程，这里-90°CA等同于630°CA。图1-7缸内爆发压力数据输入缸内爆发压力设置为随曲轴转角转动，在图1-7中左上角通过右键可以添加不同转速。其中，数据导入时应保存为*.dat格式或者*.txt文本文档格式，以便软件导入，顺序为曲轴转角-缸内燃气压力-曲轴箱内压力，导入后系统自动生成数据下方的曲线，数据输入时应注意单位，通过鼠标左键和鼠标右键单击单位的位置可以进行更改，鼠标左击单位的位置为强行更改，即数字不变，改变单位。鼠标右键单击单位的位置，点击想要的单位，则为换算关系，数值本身没变。这点在软件任何可以更改单位的地方都是相同的。（3）热力学数据参数输入热力学数据涉及燃气温度、换热系数、涡流比等参数，热力学数据的准确与否，对后续工作特别是机油消耗的数据影响最大。一般通过AVLBoost软件获得燃气温度、换热系数的数据，参照AVL软件本身自带的Mono128例子，柴油机的涡流比设定为1.8。数据的导入同缸内爆发压力的处理，将曲轴转角、燃气温度、换热系数、涡流比按顺序写入*.txt文本文档，再导入数据。单位也同上爆压的处理，应该特别注意，单位出错，将导致后面机油消耗数据变动很大，如果机油消耗的计算数据中通过缸壁蒸发的机油消耗相当大或者相当小，则应该仔细检查燃气温度、换热系数的单位，特别是换热系数。图1-7缸内爆发压力数据输入（4）活塞参数的输入如前所述，软件可以对单体活塞和铰接式活塞进行分析和模拟计算，对于单体活塞，如图1-8所示。在概要设置中，设置活塞高度、活塞-缸套间摩擦系数、活塞重心位置、质量、转动惯量和刚度矩阵数据。活塞高度为活塞裙底部到活塞顶的距离，活塞-缸套间的摩擦系数设置见1.2模型假设中的设置状况。活塞质心位置的X-centerofmass和Y-centerofmass参数如图1-9所示，以销孔中心为坐标原点，活塞顶部方向和副承压面方向为正方向，质心位置相对于销孔中心的位置即为相应的活塞质心位置，X-centerofmass即为下图中的pξ，Y-centerofmass为图中的pη。质心位置的求解一般利用有限元分析软件，利用UG5.0软件求解活塞质心位置时，利用分析-测量体命令获得活塞质心位置的数据。若用软件求解活塞质量，设置好活塞材料密度后，同样运用上述命令获得活塞质量。也可以通过天平测量活塞质量。图1-8活塞概要数据录入图1-9活塞质心位置示意图活塞刚度表示的是活塞某一区域在外载荷作用下的弹性变形能力，它影响着活塞的运动和受力状态，影响着油膜的压力分布。径向刚度作为衡量活塞弹性变形能力的重要数据，必须进行实验或者有限元分析计算。这里利用UG5.0计算。(a)活塞三维实体模型(b)活塞网格模型图1-10活塞实体模型和网格模型点击UG开始-高级仿真，启用UG高级仿真功能。在仿真导航器中右击目标文件，新建FEM和仿真，对话框选择求解器NXNastran,分析类型为结构，解算方案为单约束。在生成的文件中，对*fem-i.prt进行优化几何体，去除模型中较小的孔和倒角。进入网格划分的fem文件，通过拆分面命令分割裙部曲面，得到需要加载角度下的线条。选取次推力边及与其夹角为30°和60°的方向三条经线。首先进行网格的粗略划分，选择网格为四面体类型。网格细化，是在原来的基础上不断提高网格的质量。选取网格控制命令对特定的线条进行控制，比如垂直方向的某条经线，可以选择设置10个网格。这条命令比较重要，通过不断调整，获得较为理想的网格。活塞头部边沿曲线也同样可以用此命令，为了控制网格在环槽间的个数，可以通过拆分面将环槽间的圆环面分割，然后在分割线上设置，控制网格的个数，为了使得网格合理，控制的时候上下尽量保持一致性，即在环槽上下侧，最好使得网格个数相等，这样的网格生成会更加规整。网格控制选取好，可以通过更新有限元网格完成最终的网格生成，不满意的地方再不断调整。这里说明一下，活塞的坐标原点应该放在活塞销孔中心线与活塞径向中心线上，由于AVL软件计算考虑的是活塞的径向刚度矩阵，考虑的是径向的变形量，因而这在后续工作中便于直接从仿真模拟分析中读出结果。本次有限元分析最终得到29531个四面体网格，见图1-10和图1-11。本文选取了18个区域