【正文】 （ 3） *.dsdb:DS 仿真數(shù)據(jù)庫(kù)，保存與結(jié)構(gòu)或熱分析有關(guān)的信息。 不同類(lèi)型的文件在 WORKBENCH 中使用，以它們的擴(kuò)展名來(lái)區(qū)分： （ 1） *.agdb:DM 模型數(shù)據(jù)庫(kù)，為 DS 模塊保存幾何數(shù)據(jù)。 （ 2）用 DS 執(zhí)行有限元分析。 （ 3）優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊（ DesignXplorer， DX）它可以從 DM、 DS 以及其它 CAD系統(tǒng)中共享參數(shù)化的數(shù)據(jù)，從而在 DX 中改變各種設(shè)計(jì)方案，從而研究各種方案的響應(yīng)情況，以更好地改進(jìn)產(chǎn)品的可靠性。 （ 1）參數(shù)化建模模塊（ DesignModeler,DM）它具有 CAD 軟件的風(fēng)格，可以方便地建立結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型。 AWE 以其 Windows 風(fēng)格的友好界面，與 CAD 的直接雙向驅(qū)動(dòng)功能，成為新一代的參數(shù)化建模工具，它代表了 CAE 的發(fā)展方向，將 CAE 的易用性提高到一個(gè)新的高度。 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 20 Ansys WorkBench 簡(jiǎn)介 ANSYS WORKBENCH 是 ANSYS 公司開(kāi)發(fā)新一代的 CAE 應(yīng)用及開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 ( 3 ) ANSYS 不僅可以進(jìn)行線性分析，還可以進(jìn)行各類(lèi)非線性分析 。 與其他有限元分析軟件，如 SAP 或 NASTRAN 等相比， ANSYS 有以下特點(diǎn)： ( 1 ) ANSYS 是完全的 Windows 程序，應(yīng)用更加方便。 (3)后處理模塊 該模塊可以通過(guò)友好的用戶界面獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，這些結(jié)果包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。 (2)求解模塊 在前處理階段完成建模后，用戶在求解階段通過(guò)求解器獲得分析結(jié)果。 (1)前處理模塊 該模塊用于定義求解所需的數(shù)據(jù)，用戶可選擇坐標(biāo)系統(tǒng)、單元類(lèi)型、定義實(shí)常數(shù)和材料特性、建立實(shí)體模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、控制節(jié)點(diǎn)和單元，以及定義藕合和約束方程等。第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 19 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 Ansys 與 WorkBench 簡(jiǎn)介 Ansys 軟件簡(jiǎn)介 Ansys 是一個(gè)通用的有限元分析軟件， 它具有多種多樣的分析能力，從簡(jiǎn)單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析。 本章小結(jié) 本章概述了有限元分析的基本理論和方法，并詳細(xì)的介紹了有限元?jiǎng)恿W(xué)分析的理論基礎(chǔ)和一般的分析步驟。 諧響應(yīng)分析假 定施加的所有載荷是隨時(shí)間按簡(jiǎn)諧（正弦）規(guī)律變化的?？梢杂^察感興趣點(diǎn)的位移和應(yīng)力，如果在外界某一頻率對(duì)應(yīng)處位移比較大，出現(xiàn)峰值，說(shuō)明該點(diǎn)在該頻率下可能發(fā)生共振，振動(dòng)幅度較大；如果在外界某一頻率對(duì)應(yīng)處應(yīng)力較大，說(shuō)明該點(diǎn)在該激勵(lì)頻率下可能出現(xiàn)共振，應(yīng)力較大，應(yīng)該注意是否會(huì)發(fā)生破壞。諧響應(yīng)分析能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu) 的持續(xù)動(dòng)力特性，從而克服共振、疲勞及其他受迫振動(dòng)引起的不良影響。諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，其目的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)，并得到一些響應(yīng)值（通常是位移）對(duì)頻率的曲線，從這些曲線上可以找到“峰值”響應(yīng)，并進(jìn)一步觀察峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。許多其他的后處理功能如將結(jié)果映象到一個(gè)路徑上和載荷工況組合等，在 POST1中均可使用。 （ 4）觀察結(jié)果 模態(tài)分析的結(jié)果被寫(xiě)入結(jié)果文件 中，包括：固有頻率、振型、相對(duì)應(yīng)力分布。模態(tài)擴(kuò)展如果在求解時(shí)已經(jīng)用 MXPAND 命令定義，則不需要單獨(dú)執(zhí)行該步。可以施加除位移約束之外的其他載荷，但在提取時(shí)將被忽略，程序會(huì)計(jì)算出與所加載荷相應(yīng)的載荷向量，并將這些向量寫(xiě)到振型文件中以便在模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)分析中使用。 在一般的模態(tài)分析（預(yù)應(yīng)力效應(yīng)除外的模態(tài)分析）中，位移有效的“載荷”是零位移約束。而非線性將被忽略。 b、材料性質(zhì)可以是線性、各項(xiàng)同性或正交各項(xiàng)異性、恒定或溫度相關(guān)。如果指定了非線性單元，它們將被當(dāng)作是線性的。 （ 1）建模 建模與靜力分析相同，主要有：定義單元類(lèi)型、單元實(shí)參數(shù)、材料性質(zhì)、幾何模型、有限元模型等。 模態(tài)分析中模態(tài)的提取方法有七種，即分塊蘭索斯法、子空間迭代法、縮減法或凝聚法、 PowerDynamics 法、非對(duì)稱(chēng)法、阻尼法、 QR 阻尼法，缺省時(shí)采用分塊蘭索斯法。 模態(tài)分析的一般步驟 ANSYS 的模態(tài)分析是一種線性分析，任何非線性特性（如塑性和接觸單元）即使是定義了也將忽略。 第三章 有限元?jiǎng)恿W(xué)分析理論 16 將 (5) 式 求解 ， 得到 n 個(gè) 特征 值 2wi ，將 wi 按 從小 到 大順 序 排列1 2 30 ... ... nw w w w? ? ? ?，可稱(chēng) nw 為第 n 階固有頻率。因而可以將式 (1)簡(jiǎn)化為無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程： ? ?? ? ? ?? ?.. 0M q K q?? （ 2） 由于彈性體的自由振動(dòng) 總可以分解為一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，為了決定彈性自由振動(dòng)的固有頻率及相應(yīng)的振型，假設(shè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的方程為： ? ?? ? ? ? ? ?sinq t i wt?? （ 3） 因此無(wú)阻尼模態(tài)分析的運(yùn)動(dòng)方程為： ? ? ? ?? ?? ?2 0K w i M i? ? ? （ 4） 自由振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的振幅不全為零，如果 ??i? 有非零解，則有其系數(shù)行列式的值等于 0，即 ? ? ? ?2 0K wi M?? （ 5） 式中： ??i? — 第 i 階模態(tài)的振型向量； wi — 第 i 階模態(tài)的固有頻率。一個(gè) N 自由度線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)微分方程為： ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ?. . .M q C q K q F t? ? ? （ 1） 第三章 有限元?jiǎng)恿W(xué)分析理論 15 式中： ? ?M — 質(zhì)量矩陣； ??C — 阻尼矩陣； ??K — 剛度矩陣； ??..q — 加速度向量； ??.q — 速度向量； ??q — 位移向量。模態(tài)分析的核心內(nèi)容就 是確定描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的核心，是進(jìn)行振動(dòng)和噪聲預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。 模態(tài)分析的作用：識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型 ， 它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù) 。 模態(tài)分析：將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。最初有限元法被用來(lái)研究飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力問(wèn)題，目前，其解題范圍己經(jīng)包括了各個(gè)領(lǐng)域 (固體力學(xué)、生物力學(xué)、流體場(chǎng)、電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、聲場(chǎng) )的數(shù) 理方程；已經(jīng)成為解數(shù)理方程的一種非常受歡迎的，應(yīng)用極廣的數(shù)值計(jì)算方法。（ 4）求解節(jié)點(diǎn)變量。（ 2）選擇插值函數(shù)。 把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件（連續(xù)條件、變分原理或 能量原 理）集合起來(lái)，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量（位移、溫度、電壓等）為未知量的代數(shù)方程組，求解方程組即可得到有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處的待求變量。把實(shí)際作用于結(jié)構(gòu)上的載荷或邊界條件向節(jié)點(diǎn)上移植，以和原載荷或邊界條件等效。 有限元法實(shí)質(zhì)上是 把具有無(wú)限自由度的連續(xù)系統(tǒng)，近似等效為只有有限自由度的離散系統(tǒng)，使問(wèn)題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的數(shù)學(xué)問(wèn)題。 有限元法：是指用有限單元將結(jié)構(gòu)彈性域或空氣域離散化，根據(jù)力學(xué)方程或聲學(xué)波動(dòng)方程，得到聯(lián)立代數(shù)方程式，通過(guò)求解代數(shù)方程式得到振動(dòng)或聲學(xué)特性的方法。 圖 222 曲軸連桿機(jī)構(gòu) 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)單的介紹了 UG 軟件的特點(diǎn)及功能，并且利用 UG 建立了曲軸連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件圖，之后利用 UG 的裝配 功能進(jìn)行零件裝配，形成曲軸連桿機(jī)構(gòu)的三維幾何模型。添加曲軸和飛輪后，選擇 “裝配約束“中的“距離”及“同心”命令，完成裝配 圖 221。用同樣方法將活塞銷(xiāo)、活塞和連桿蓋、連桿軸瓦添加并裝配，形成活塞連桿組。 圖 29 飛輪 圖 210 飛輪螺栓 圖 211 活塞 第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立 10 圖 212 連桿襯套 圖 213 飛輪螺母 圖 214 鎖環(huán) 圖 215 活塞銷(xiāo) 圖 216 連桿蓋 圖 217 連桿軸瓦 圖 218 連桿螺母 圖 219 連桿螺栓 第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立 11 各構(gòu)件的裝配 應(yīng)用 UG 的裝配功能將所有構(gòu)件進(jìn)行裝配，具體裝配步驟如下： （ 1）新建一個(gè)裝配文件 .assembly1,先進(jìn)行活塞連桿組的裝配。最后進(jìn)行邊倒圓、倒斜角等細(xì)節(jié)操作，形成的連桿體三維實(shí)體模型如圖 28。利用鏡像對(duì)稱(chēng)，得到整個(gè)連桿體并求和。在連桿體上創(chuàng)建矩形墊塊，參數(shù)為長(zhǎng) 10mm、寬 5mm、高 。最后保存為 .part 文件，建成的曲軸三維實(shí)體模型見(jiàn)圖26： 圖 26 曲軸三維實(shí)體模型 第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立 9 （ 2）連桿建模過(guò)程 繪制如下草圖并拉伸 ，在圖示 27 位置創(chuàng)建兩個(gè)凸臺(tái)，參數(shù)分別為直 徑 31mm、高度 ；直徑 72mm、高度 。應(yīng)用“鏡像”創(chuàng)建出另一半，并求和。最終形成第一單元曲拐 。以曲柄銷(xiāo)端面為草圖平面，繪制草圖并拉伸 13mm，形成第二個(gè)曲柄臂。以最后一個(gè)凸臺(tái)的端面為“草圖平面”繪制草圖（圖22），應(yīng)用“拉伸”命令拉伸至 13mm，形成曲柄臂，如圖 23。 “插入”命令構(gòu)建圓柱體，參數(shù)為直徑 38mm、高度 49mm。 以曲軸和連桿體建模為例： （ 1）曲軸建模過(guò)程 曲軸 共有 4 個(gè)連桿軸頸和 5 個(gè)主軸頸，由于曲軸第一、二缸與第三、四缸為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此在建立幾何模型時(shí)可以只建一半，再利用鏡像得到第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立 7 另一半。目前國(guó)內(nèi)的大部分院校、研發(fā)部門(mén)都在使用該軟件，如上海汽車(chē)工業(yè)集團(tuán)總公司、上海大眾汽車(chē)公司、上海通用汽車(chē)公司、泛亞汽車(chē)技術(shù)中心、同濟(jì)大學(xué)等在教學(xué)和研究中都使用 UG 作為工作軟件。它集成了美國(guó)航空航天、汽車(chē)工業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，成為機(jī)械集成化 CAD/CAE/CAM 主流軟件之一，是知識(shí)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中的領(lǐng)先者，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)與基于產(chǎn)品和過(guò)程的知識(shí)工程的結(jié)合，在航空航天、汽車(chē)、通用機(jī)械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械，以及其他高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)和模具加工自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，顯著地提高了工業(yè)生產(chǎn)率。 UG 在特征和自由建模方面提供 了更加強(qiáng)大的功能，使得用戶可以更快、更高效、更高質(zhì)量地設(shè)計(jì)產(chǎn)品。 第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立 6 第二章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維幾何模型的建立 UG 軟件簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ CAD）技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)領(lǐng)域中設(shè)計(jì)技術(shù)之一，也是使用最廣泛的技術(shù)之一。有限元模型的建立要根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮計(jì)算精度與速度等因素，確定單元類(lèi)型及尺寸。 （ 2）應(yīng)用 UG軟件 建立曲軸連桿機(jī)構(gòu)各零件的幾何模型，并利用該軟件的裝配功能裝配成曲軸連桿機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型。 本課題研究?jī)?nèi)容 （ 1）廣泛搜集資料，了解發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲分析的相關(guān)信息。 (2) 徐紅梅在《內(nèi)燃機(jī)振聲信號(hào)時(shí)頻特性分析及源信號(hào)盲分離技術(shù)》中提出，時(shí)頻分析方法是一種時(shí)頻局域化分析方法 ,能在時(shí)間和頻率上同時(shí)描述信號(hào)的能量密度或強(qiáng)度 ,揭示信號(hào)中所包含的頻率分量及其隨時(shí)間變化的特性。 在噪聲分析方面， 主要 有以下技術(shù)： （ 1）林建生等在《內(nèi)燃機(jī)噪聲源的傳播及其識(shí)別技術(shù)》中提到了噪聲源識(shí)別及分離技術(shù) ，該技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)噪聲研 究的一個(gè)重要領(lǐng)域，它是進(jìn)行噪聲控制及噪聲預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。而且 馬萬(wàn)福在《基于有第一章 引言 4 限元法的內(nèi)燃機(jī)機(jī)體振動(dòng)分析與噪聲預(yù)測(cè)研究》中 也應(yīng)用 該方法 進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)振聲分析。 段秀兵等將有限元方法多體系統(tǒng)仿真結(jié)合進(jìn)行曲軸系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)分析，得出氣缸體的主要激勵(lì)。 岳東鵬，石傳龍?jiān)凇痘?EXCITE 的曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析》中提出，以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)作為優(yōu)化目標(biāo)，建立了 EXCITE 模型，仿真分析了不同飛輪慣量下的軸系扭振的變化規(guī)律，然后進(jìn)行了不同的皮帶輪慣量和扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)對(duì)軸系扭振影響的理論研究，通過(guò)運(yùn)用合理的扭振減振器參數(shù)對(duì)軸系扭振的影響做了進(jìn)一步的分析。 主要有 有限元方法、邊界元方法、統(tǒng)計(jì)能量分析法、傳遞路徑分析方法、模態(tài)綜合方法等。奧地利 AVL LIST 公司與德國(guó) FEV 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)公司利用客觀特征與主觀判定相結(jié)合對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲品質(zhì)進(jìn)行完整評(píng)價(jià)。 內(nèi)燃機(jī)噪聲降低與控制技術(shù)。 內(nèi)燃機(jī)噪聲預(yù)測(cè) 。 (3)國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲研究主要有以下幾個(gè)方面： 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲機(jī)理研究 。但國(guó)內(nèi)無(wú)論是企業(yè)