基于虚拟样机的摩托赛车发动机动力学性能仿真技术

　基于虚拟样机的机械动力学性能仿真技术是现代机械设计与制造的重要核心技术之一。介绍了利用PTC公司的Pro/E与Pro/MECHANICA软件，能够模拟机器实际工作状态时的运动和动力学特征的摩托赛车发动机虚拟样机的几何及物理建模的方法。介绍了应用有限元法，可使该虚拟样机输出模拟工作状态时所产生的动力学特性，如时变动反力，整机与其零部件的模态特性，振动大小等例子。该方法的优点是以动态的、直观的方法使设计人员了解整机与其零部件的动态特性，并及时发现问题与薄弱环节，改善设计，以确保整机良好的动态特性。还特别介绍了该方法在作者建立的摩托赛车发动机虚拟样机系统等方面的应用。该摩托赛车发动机虚拟样机系统可以进行发动机机构的运动、动力学仿真，可以获得活塞、曲轴上受到的时历动态变载荷。该虚拟样机系统不仅可以对活塞、曲轴与连杆等零件进行考虑到气缸爆炸力、热、惯性力藕合作用时的精确应力应变仿真、还可以对曲轴进行考虑到气缸爆炸力、惯性力作用下的时历响应与频域响应振动仿真。本仿真系统阐明了发动机曲轴振动产生的机理，并提出了降低振动的曲轴设计新方法。应用了该法后，使某新型曲轴的轴径减小了5mm，并成功通过试车阶段。

　 一种新型的摩托赛车的研发，按照传统的设计与制造模式，通常要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和正式投入生产等几个步骤。由于这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺陷(成本高、周期长以及试验样机数量有限)，往往使物理样机的反复性试验不够充分，加上设计人员无法对复杂形状零部件的静动态强度进行精密分析，同时即使物理样机或真正机器出了故障，也无法预测其真正原因等，这不仅使摩托赛车的研发需要花费极大的成本，而且对提高摩托赛车的性能还有不可逾越的障碍。

　　为了缩短产品设计、制造与试制的周期，提高产品的质量与降低成本，提高产品的全球市场竞争力，在上个世纪80年代，美国首先实行了虚拟设计与仿真技术，演变为今天的虚拟样机技术。基于虚拟样机的系统仿真是实现现代设计与制造的关键技术之一，是完成设计分析、产品数据交换、工作信息交流等任务的基础和依据。利用虚拟样机技术，在产品的设计阶段就能对产品的性能进行仿真与分析，以达到产品质量与性能的最优化。

　　本文介绍了利用PTC公司的Pro/E与Pro/MECHANICA软件，在计算机上，建立其整机几何模型，并赋予物理特性参数，进一步建立可模拟机器实际工作状态时的运动和动力特征的物理仿真模型(虚拟样机)的方法。

　　本文还特别介绍了该方法在作者建立的摩托赛车发动机虚拟样机系统等方面的应用。摩托赛车发动机虚拟样机系统可以进行发动机机构的运动、动力仿真，可以获得活塞、曲轴上受到的时历动变载荷。该虚拟样机系统不仅可以对活塞、曲轴、连杆等零件进行考虑到气缸爆炸力、热、惯性力藕合作用时的精确应力应变仿真、还可以对曲轴进行考虑到气缸爆炸力、惯性力的时历响应与频域响应振动仿真。

　　1基于Pro/MECHAMCA虚拟样机建模特点与功能

　　1.1基于Pro/MECHANICA虚拟样机建模特点

　　虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前，设计师利用三维软件程序建立起机械系统的三维几何模型，并对各个零部件定义其物理特性，进行仿真分析并以数字与图形方式显示该系统在模拟真实工程条件下的各种特性，如变形、应力与振动的大小等，从而不断修改设计方案并得到最优设计方案的技术。虚拟样机是一种计算机中的几何与物理模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。

　　虚拟样机技术在国外已不是研究者与学者才能使用的技术，而是已普及到一般设计人员都能应用自如的技术。特别是面向设计人员的三维仿真软件的开发与应用，使现代机械设计与制造领域发生了根本性的变化。

　　在国内一般采用虚拟样机的仿真策略是采用Pro/E或其他三维软件进行几何建模，而运动学或强度仿真则利用其它仿真软件包。如通常采用Pro/EADAMS方式。这样的处理方式的缺点是联动性不强，即如果改变某一尺寸，只有必须回到Pro/E去修改，然后又回到另一程序进行操作，效率非常低，更不易进行优化设计。

　　Pro/E软件在我国用于三维几何造型，可以说非常著名。但是，Pro/E内的多学科仿真功能模块Pro/MECHANICA等可以同时支持结构、热、振动和运动仿真与设计优化的事实确鲜为人知。它的优点是通过直接在Pro/E模型上操作，不仅消除了数据传递问题，而且具备参数化设计与优化功能。即一旦其物理模型建立了以后，如果改变了其几何尺寸，其边界条件与物理特性都保持不便，就可以直接进行仿真分析。

　　目前使用的有限元分析方法，主要有三种，即P法，h法和hp法。所谓P法，它的位移函数的形函数采用多项式函数，目前最多为9次函数。因而，它的解析精度的提高是可以依靠自动拉升多项式函数的阶数来解决。h法的位移函数的形函数采用线性函数，提高解析精度时，必须在每次解析前，细划分单元网络才可以达到，它需要一定的专业知识与技巧，划分单元网络也比较麻烦。尽管hp法是采用了上述两种方法的优点，即自动拉升多项式函数的阶数和自动细划分单元网络来提高解析精度，是一种非常理想的方法，但它仅处于研究阶段，还没有达到实用化。Pro/MECHANICA采用了P型法，也就是说，即使用比较粗糙的网络划分，依靠自动拉升多项式函数的次数的办法就可以实现较高的精度。而且，在Pm/MECHANICA中，还可以用人工疏导进行单元网络的细划分工作，做到了既可以提高多项式函数的次数，还可以细划分单元网络来提高解析精度。因此，具有解析精度高的特点。可以说是最适合设计人员的仿真分析工具。

　　1.2摩托赛车发动机虚拟样机建模特点与功能

　　对摩托赛车的要求是，在比赛高速前进的情况下，其发动机系统也能保持良好的动态性能。而其发动机系统的动态性能的好坏直接影响到赛场上的比赛成绩。比如，在比赛过程中，活塞由于高温的影响，容易出现裂纹；曲轴由于疲劳，轴颈容易产生裂纹；最重要的一点在于，速度过高后会出现曲轴振动，会导致液体轴承的轴瓦烧坏。出现这些问题都会造成摩托赛车在比赛时无法实现以超高速奔驶的原因。另一方面，在现实中即使知道会经常出现上述问题，但也无法采取有效地措施来加以避免。

　　由于传统的摩托赛车的发动机系统的设计方法，还是在设计阶段，主要依靠一些静强度计算和一些简单的动力学分析。而其动态性能的优劣只有到物理样机完成以后，进行耐久性试验才能确认出其动态性能，这需要花费大量的人力物力与时间。

　　随着计算机图形技术，通用有限元程序以及计算机硬件技术的发展，可以在计算机上构建发动机系统的虚拟样机，其各个零部件间连接等都具有物理发动机同样的功能。作者开发的发动机虚拟样机系统的基本功能如图1所示。

　　尽管在过去的研究中，已经介绍过曲轴系统的一些研究结果，但把曲轴系统从运动学、动力学到振动方面完整的仿真系统的研究还比较少Hq]。本文介绍了在虚拟发动机样机上，对活塞加上燃汽爆炸时的实测时变压力，使其像真实物理样机那样产生运动。并给出了虚拟发动机样机运动时的一些有用的结果。