ENGDYN曲轴分析教程-(一)理论介绍.doc

1 ENGDYN曲轴分析理论介绍

1.1 介绍

目标:

• 熟悉如何使用Engdyn GUI操作，并且应用用户定义的方式完成最简单的分析（非有限元的方式）。
> 用户将执行静定（statically determinate）分析方法，采用迁移率法和液体动力学法来计算轴承载荷。
> 用户将熟悉结果图像显示和动画显示的过程.

包含的内容:

• 建立发动机模型
• 应用迁移率法分析轴承性能
• 应用液体动力学方法分析轴承性能（有限体积法求解器）
• 结果图像显示和动画显示

时间估计:
• 0.5天(包括求解过程)

发动机类型:
• 奥迪 V6 TDI
• V6 高速直喷柴油机
• 90 度V角
• 30 度错拐角度
• 4个主轴承
• 6个连杆大头轴承

> 本例数据来自于Ricardo发动机试验台实测结果.
要求的文件（主要是气体爆发压力数据）:

../Ricardo/3.0/examples/V6/cp700.PRES
../Ricardo/3.0/examples/V6/cp1000.PRES
../Ricardo/3.0/examples/V6/cp2000.PRES
../Ricardo/3.0/examples/V6/cp4000.PRES

1.2 准备工作

• 从例子目录拷贝需要的文件到当前的工作目录
• 开始engdyn

> windows平台点击快捷方式，或者点击 Start>Programs>Ricardo>Engdyn

1.3 建立发动机模型
第一步 确定发动机参数

•在左边的主面板中选择 ‘Configure Engine’按钮

• Engine Configuration设置面板如下图所示

点击红色数字输入

• 完成设置，选择 ‘Apply’ 按钮，显示以下内容

• 按 OK 确定. 曲轴模型将显示在主要工作区，如下图所示

第二步 定义模型

• 从左边GUI面板选择 ‘Define Models’.

• 接下来将定义曲轴、机体、活塞缸套组模型，如下图所示。

n 曲轴系模型类型
v Rigid Massless
q 单元刚性,且假设没有质量;
v Rigid
q 刚性,包括集总质量;
v Compliant Massless
q 柔性,但无质量;
v Compliant
q 柔性,有质量
v Dynamic
q 动态的,有刚度和柔性质量;

n 机体模型定义
v Rigid
q 假设是刚性的;
v Compliant bearing
q 每个轴承表示有一定刚性与地连接
v Compliant
q 缩减刚度矩阵
v Compliant crankcase
q 下曲轴箱,不含汽缸
v Dynamic
q 有限元模型,CMS缩聚为刚度和质量矩阵

n 缸内模型：
v slider crank 类型
q 简化模型
q 给定活塞/连杆组件的质量及相关长度等信息即可
v 活塞二次动力学模型
q 将活塞侧击力转化到缸套上；
q 考虑液体动力润滑和粗糙峰压力分布；
q 通过SDF文件获得

第三步 编辑曲轴参数

• 从左边的GUI面板选择 ‘Edit Cranktrain’

> 打开的面板左侧列出的条目可以选择编辑
> 由于该例子的特点，很多项在本例不需要定义。.

•选择 ‘Crank Web’ ，即呈现高亮显示
图中的每个曲柄臂单元将显示为绿色

• 点击‘Selected All’
图中的每个曲柄臂单元将变成红色

• 点击‘Edit Selected’ ，显示曲柄臂设置面板

• ‘Web’ 设置面板如下图所示

> 曲柄臂厚度和轴颈长度的数据来自于‘configure engine’设置时的数据
> 曲柄臂面板允许输入平衡重数据
> 在后续阶段设置的平衡重参数，只包括平衡的几何参数，不包括质量特性。本例中我们不需要平衡重的几何数据，只需要定义质量特性（不用有限元模型）。

• 点击 ‘OK’

• 选择曲柄销轴承 ‘Pin Bearing’，呈现高亮显示
> 每个曲柄销轴承显示为绿色

• 点击 ‘Selected All’
>每个曲柄销轴承显示为红色

• 点击 ‘Edit Selected’，显示曲柄销轴承

• 打开的‘Pin bearing’ 设置面板如下图所示

> 图中的油孔角度位置可以输入高度值（本例使用），或者输入角度值，输入其中一个，程序根据轴颈直径自动计算出其他的值。
>因为选择的模型类型是‘Mobility’(迁移率法) ，剩下的项(Mesh, Material, Profile)不需要编辑，只有选择的模型类型为液体动力学或弹性流体动力学模型选项（“Hydrodynamic or Elastohydrodynamic models”）时，才需要设置。

n 轴颈轴承油膜模型
v 轴颈轴承类型
q Plain（普通的轴颈轴承）
q Partially-Grooved（部分油槽轴承）
q Fully-Grooved（全周油槽轴承）

n 轴承求解方法
v 迁移率法（Mobility）
q 短轴承假设——1D
q 径向运动 Booker迁移率方法，计算轴心轨迹等；
q 旋转运动 Kikuchi方法，计算油膜刚度和阻尼值；
v 液体动力学模型（HydroDynamic ）
q 需要对轴承表面进行液体网格划分
q 2D润滑方程求解

n 轴承供油方式
v 轴颈供油（journal）
q 供油油孔在轴颈上
v 轴瓦供油（bearing）
q 供油油孔在轴瓦上
v 主轴承供油（mains）
q 一般指连杆轴承

• 点击 ‘OK’

• 选择主轴承‘Main Bearing’ ，使之高亮显示

• 点击 ‘Selected All’ ，使全部主轴承高亮显示

• 点击‘Edit Selected’ ，显示主轴承设置面板

• 主轴承设置面板如下图所示。

> 油孔项不能编辑因为该主轴承由油槽供油，而不是轴径供油。
>因为选择的模型类型是‘Mobility’(迁移率法) ，剩下的项 (Mesh, Material, Profile) 不需要编辑，只有选择的模型类型为“Hydrodynamic or Elastohydrodynamic models”时，才需要设置。

• 点击 ‘OK’

• 选择缸内组件 ‘In-Cylinder’ ，使之高亮显示

• 点击 ‘Selected All’ 选择全部曲柄销轴承节点

• 点击‘Edit Selected’

•打开的 ‘In-Cylinder’ 设置面板如下图所示.

• 点击 ‘OK’

• 选择前端组件 ‘Cranknose Assembly’ 使之高亮显示
> 本例只有一个cranknose，因此没有必要点击All selected,或者用鼠标去选择。程序会自动选择，并使之显示为红色

• 点击 ‘Edit Selected’ 显示 Cranknose Assembly设置面板

•打开的 Cranknose Assembly 面板如下图所示

> ‘Element Length’ 项不需要准确的输入，因为曲轴不是用FEA模型建模，这个数据仅仅用来显示。

• 点击 ‘OK’

• 选择 ‘Flywheel Assembly’ 使之高亮显示
> 同样的，没有必要选择全部或者用鼠标点击模型，程序会自动选择并显示为红色。

• 点击 ‘Edit Selected’ ，打开 Flywheel Assembly 设置面板

• ‘Flywheel Assembly’ 设置面板如下图所示

• 点击 ‘OK’

• 选择集总质量‘Lumped Masses’ ，使之高亮显示
> 节点从曲轴前端开始编号，1号表示减震器毂（damper hub ）
> 刚性体或柔性体曲轴模型没有必要定义所有节点的质量

• 用鼠标右键点击节点3.
> 该节点是曲轴轴线上的第一个曲柄臂节点。
> 通过右键选择不同的节点
> 如果要选择多个节点，在左键选择的时候按住SHIFT键

• 点击 Edit Selected 显示 Lumped Mass 设置面板

• 打开的面板如下图所示

> 数据要么采用直角坐标系或者极坐标系来定义已知的属性或者几何外形数据

• 点击 Add 或者Update 按钮增加数据
>在每个节点增加多质量

• 点击 OK
> 质量将显示为白色

• 重复定义质量的过程，具体的设置值如下表所示。

所有的集总参数都输入完毕，如下图所示。

• 点击 ‘Assemble Crank’
> 将在主界面下端显示‘Cranktrain assembly completed successfully’ 信息

•点击 ‘Define Material’ 显示Crankshaft Material Properties设置面板

• 设置完的 Crankshaft Material Properties 面板如下图所示

• 点击‘OK’

•点击 ‘Calculate Masses’
> 将在主界面下端显示 ‘Mass Calculated, Balance Not Set’ 信息

• 点击 ‘Set Balance’显示Primary Balance面板如下图所示

> 因为集总质量已经包含曲轴的平衡效果，因此不再要求额外的平衡

•点击 ‘OK’

• 点击‘Dismiss’ 退出 Cranktrain 面板
> 在屏幕下端显示 ‘Ready to Perform Solution 信息

• 保存模型

1.4 应用迁移率法分析轴承性能
第一步 定义润滑油特性

•从左边的主面板区点击‘Lubrication’

• 点击Browse按钮从数据库中选择SAE5W30
> 程序默认的数据库路径是 ../Ricardo/engdyn/3.0/database/Fluid
>此数据库包含最常用的机油种类

•点击 Add或Update 按钮增加机油种类

• 点击OK

第二步 定义载荷状态

气缸压力和其他额外的载荷将在这一步设置（例如从VALDYN中得到的载荷以及重力）

•在主面板中点击 ‘Loading’

将显示如下图所示的Loading Definition 面板

> 能够定义不同的载荷谱（loading maps），包括满载（Full Load）,部分载荷(Part Load)和零载（No Load）。
> 求解器将在设置的速度之间作插值。

• 输入速度750 rev/min

• 把鼠标放在File Name 列，右击鼠标，从右键菜单中选择 ‘Selected Pressure file’ ，在工作目录中选择文件 cp700.PRES ，设置如下图所示。

>可以删除文件名前面的工作目录名
> 压力文件包含气体爆发压力和曲轴转角之间的关系（以固定的角度间隔）
>用文本编辑器或者Ultaredit查看压力文件内容以加深理解。

•定义环境压力和曲轴箱压力为1bar
> 目前曲轴箱压力仅仅用于液体动力学和弹流分析的轴承模型，以定义轴承边界条件。

• 在序号列的序号上右击鼠标，从右键菜单中选择‘Insert below’，以增加一列。

• 设置的面板如下图所示。

> 此面板余下的选项卡如外力谱（Force Profile）,力平衡方程（Force Equation）和变形（Distortion）在本例中不需要定义。

•点击Plot按钮，显示加载的载荷和指示扭矩，如下图所示。

> 该图不是特别的平滑，如果已知指示扭矩曲线，可以定义Factor列来修改此曲线。

•在3000 rev/min输入400[N.m]/T ，查看曲线变化。再设置回原来的值。

• 点击 ‘OK’

•保存模型

第三步 求解

通过前面设置完参数，现在可以进行求解计算。

• 在主面板上点击‘Evaluate Solution’ 按钮

> 面板将如下图所示，不作改变。
> 因为只建立了刚体模型，所以本例选择静定法（Determinate）求解类型来求解

n 求解类型：
v 静定法Static Determinate
q 主轴承反力以及主/连杆轴承轴心轨迹计算采用静定假设；
q 满足力平衡
q 轴心轨迹用迁移率法计算
q
v 静不定法Static Indeterminate
q 主轴承反力以及主/连杆轴承轴心轨迹计算采用静不定假设，允许考虑曲轴/机体的柔性；
q
q
v 动态法Dynamics
q 主轴承反力/轴心轨迹，曲轴的振动位移和速度
q 动态的,包括陀螺效应;
q
Mass=[m]
q

• 点击载荷工况 Loadcases 选项卡

• 点击 ‘Selected’ 按钮增加速度序列，如下图所示。

• 点击Bearing Model 选项卡

•设置完毕的面板如下图所示

> 因为机体和曲轴采用刚体模型，所以余下的选项卡不需要改变原先设置。

• 点击 OK. 将显示下图所示的提示信息

• 点击 ‘Direct’ 按钮运行求解.
> 运行求解将需要几分钟
> 求解完毕后将生成EDSUM 文件。
> 该文件包含求解总结的数据。可以用文本程序打开该文件查看结果。

现在求解已经完成，可以显示结果。下两步展示的是如何显示分析的结果。

第四步 选择载荷步

• 在主面板点击 ‘Selected Loadcases’ 按钮

• 如下图所示

> 此表显示每个载荷步定义的求解参数
> 载荷工况由求解类型和施加的载荷组成。

第五步 显示结果

• 在主面板点击绘制结果 ‘Plot results’ 按钮

• 从Model列表中选择轴颈轴承（滑动轴承）‘Journal Bearing’ ，Subset集合中的轴承将高亮显示，现在可以显示结果。

• 把Plot Result面板移开，可以看到屏幕上的曲轴。

> 可以看到曲轴上的每个主轴承节点显示为绿色。

• 通过左键选择主轴承 main bearings节点1 、2
>选择的主轴承节点变成红色
> 通过鼠标左键点击或者按住SHIFT选择节点。

• 点击 Apply 按钮显示 Graph 面板.

• 使用Page Up 和 Page Down 按钮查看其他结果曲线

n 曲轴计算结果
v History
q 特定转速下随曲轴转角变化的时域变化的结果
v Spectra
q 特定转速下随曲轴转角变化的频域变化的结果
v Orders
q 随发动机转速变化的参数变化的谐态结果
v Campbell
q 随发动机转速和频率变化的参数变化的谐态结果
v Mode
q 3D显示模态振型（与未变形的外形相比）
v Orbit
q 轴颈和轴承轴心轨迹
v Polar
q 极坐标显示 y / z 以及 φy 和 φz 数据
v Extent
q 曲轴转角变化的油膜压力分布显示

1.5 采用液体动力学求解方法分析轴承性能

将对第一号主轴承采用液体动力学方法求解。

第一步 拷贝ENGDYN模型

•选择主菜单File的子菜单‘Copy Design’
> 将拷贝所有模型和载荷数据

第二步 建立第一个主轴承液体动力学模型

• 点击 ‘Edit Cranktrain’ 按钮

• 选择‘Main Bearing’ 如下图所示

> 每个主轴承节点将变成绿色

• 通过左键点击或者框选的方式选择 main bearings 1
> 选择的主轴承节点将变成红色

• 点击 ‘Edit Selected’ ，显示设置面板

•改变 Model Type 为液体动力润滑方法（Hydrodynamic） ，如下表所示

对于Hydrodynamic Model 类型，需要设置网格和材料属性.
> 本例假设轴承和轴颈是圆形的，不需要打开Profile选项卡来定义其外形

• 点击 Mesh选项卡, 定义网格 11 x 41

• 点击 Material选项卡

> 如果采用边界润滑模型则需要定义材料属性（轴瓦和轴颈的材料属性）

• 点击轴瓦材料（Bearing Material）的 Define按钮，打开材料属性设置面板，设置值如下图所示

> 图中所示的数据是轴承表面典型数值。
> 这些数据仅仅用于边界润滑计算中
> 粗糙峰均方根高度 RMS和粗糙峰密度 一般是通过测量得到的
> 粗糙峰顶曲率半径 可以从下面的标准中预估

> Selected 按钮是用来选择在SFE文件中预先定义好的材料属性。

• 点击 OK

• 点击Journal Material的 Define按钮，打开材料属性设置面板

> 曲轴的轴颈材料默认为STEEL，该材料已经在第1.3节的第三步设置了 。

• 设置完的面板如下图所示

• 点击 OK， 输入轴承表面的磨损系数 wear 和磨擦系数 friction coefficients ，如下图所示

• 点击apply将在屏幕上显示轴承的网格模型

> 该网格是轴承计算网格
> 网格的安排用来表示轴承油槽。

• 点击 Profile 选项卡，再点击View按钮

• 点击 OK

• 点击 ‘Assemble Crank’
> 在显示区显示 ‘Cranktrain assembly completed successfully’ 信息

• 点击 ‘Define Material’ 显示曲轴材料定义面板

• 点击 OK
> 因为之前已经定义了材料，这里不再编辑。

•点击 ‘Calculate Masses’
> 在显示区‘Mass Calculated, Balance Not Set’ 信息.

• 点击 ‘Set Balance’
> 因为集总质量包含了曲轴平衡效果，所以不再要求额外的平衡重

• 点击‘OK’

• 点击‘Dismiss’ 按钮，退出Cranktrain 面板的编辑
> 在屏幕显示‘Ready to Perform Solution 信息
> 模型显示如下图所示.

• 保存模型

第三步 求解计算

现在已经有足够的数据可以分析求解了

• 点击 ‘Evaluate Solution’ 按钮

Evaluate Solution 面板显示如下图所示.

• 设置终止角度End Angle为1800 deg
> 两个半曲轴旋转时间的计算足够获得连杆大头轴承弹流（EHL）分析收敛结果。

• 点击载荷工况（Loadcases）选项卡，定义速度为3000 rev/min ，如下图所示

• 点击Bearing Model 选项卡，完成的面板如下图所示。

> 轴承为刚性体模型时，推荐采用有限体积求解器
> 余下的选项卡不需要设置，因为这些参数与静不定法（indeterminate）或动态法（dynamic）求解方式 有关。

• 点击 ‘Define Oil Temps’ 显示 Bearing Oil Temperatures 设置面板

> 假定轴承机油温度是进口温度。

• 点击 OK

• 点击 Evaluate Solution面板的OK 将显示以下面板

• 点击 ‘Direct’ 按钮，直接允许分析。
> 求解完毕，将生成总结文件 .EDSUM.
> 这个文件包含总结求解数据. 用文本程序打开该文件查看结果。
> 该计算在 Pentium III 752 MHz 256 Mbytes RAM 台式机上运行大致需要1小时15分。
> 求解时间依赖于轴承承受载荷的严重程度以及是否发生边界润滑。
>通过选择接触压力可以看到，此发动机模型存在一些粗糙峰接触。具体参考第五步。
> 计算占用内存为67 Mbytes.

第四步 选择载荷步

• 在主面板上点击‘Selected Loadcases’ 按钮

• 选择速度 (3000 revs/min) ，再点击 OK

第五步 观看动画结果

• 在主面板中点击‘Animate Results’ 按钮

• 设置的 ‘Animation Results’ 面板如下图所示

• 放大main bearing 1
> 按住 ‘Ctrl’ 键同时鼠标左键框选。

• 改变视觉角度
> 按住‘Shift’ 键，拖拽的同时按住鼠标左键

• 点击 ‘Play’ 按钮显示结果动画，如下图所示

• 通过选择结果面板中的不同的参数，显示不同的结果。

• 关闭动画面板，退出程序。