Главная » CADmaster №4(19) 2003 » Машиностроение Применение программного продукта MSC.visualNastran Desktop 4D для анализа вибрационного состояния двигателей внутреннего сгорания
Ужесточение норм Европейской экономической комиссии ООН, касающихся шума и вибрации двигателей внутреннего сгорания (ДВС), заставляет инженеров глубже изучать источники вибраций и методы их подавления. Основными причинами вибровозмущений в ДВС являются газовые силы, действующие на поршень кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Известные методы аналитического исследования КШМ ДВС не обеспечивают надлежащей надежности и информативности расчетов: к примеру, практически невозможно исследовать влияние зазоров в механизмах ДВС на его вибрационное состояние. Попытки изучения динамики ДВС при учете зазоров сводились либо к созданию аналитической модели конкретной кинематической пары конкретного двигателя 1, либо полностью строились на дорогостоящем натурном эксперименте 2. Так же обстояло дело и при выборе характеристик амортизирующих опор двигателя.
С появлением в конце 90-х годов мощных персональных компьютеров и соответствующих программных средств (MSC.Adams и MSC.visualNastran Desktop 4D) анализировать кинематику и динамику любых механизмов стало возможным численными методами. При этом обеспечивается высокая информативность, оперативность и достоверность расчета.
Среди многих программных продуктов аналогичного назначения заслуживает внимания MSC.visualNastran Desktop 4D — пакет, разработанный корпорацией MSC. Этот интегрирующийся в ряд CAD-систем продукт позволяет исследовать динамику любых механизмов с возможностью расчета напряженно-деформированного и теплового состояния как отдельных звеньев, так и механизма в целом. Кроме того, visualNastran Desktop 4D прост в работе и располагает большими вычислительными ресурсами.
Возможности программного продукта иллюстрируются ниже на примере решения задачи о влиянии зазоров в кинематической паре «поршень — гильза» и жесткостей упругих опор на вибрационное состояние силовой установки тепловоза ЧМЭ-3: рядный дизель и генератор общей массой 18 120 кг.
Порядок решения задач исследования динамики механизмов в среде visualNastran Desktop 4D практически одинаков и состоит из следующих этапов:
- Построение твердотельных моделей деталей энергетической установки в CAD-системе (в нашем случае использовался программный продукт SOLIDWORKS 2001).
- Создание модели сборки механизма в той же CAD-системе.
- Автоматическая передача данных о сборочной модели в CAE-систему visualNastran Desktop 4D с сохранением всех ранее наложенных сборочных зависимостей. Для этого обращаемся к главному меню CAD-системы и выбираем команду MSC.visualNastran → Connect (рис. 2, 3).
- Проверка правильности выбора шарнирных зависимостей, наложенных visualNastran Desktop 4D, и при необходимости их редактирование. На этом этапе бывает удобно использовать всплывающее при передаче геометрии деталей меню Constraint Navigator (рис. 4).
-
Определение свойств материалов деталей с использованием встроенной библиотеки visualNastran Desktop 4D происходит следующим образом: в объектном листе (рис. 3) выделяется деталь и щелчком правой клавиши мыши вызывается контекстно-зависимое меню, в котором выбирается команда Properties → Material → Edit, после чего появляется список материалов (рис. 5). Выбираем из списка подходящий материал и нажимаем кнопку OK.
В дальнейшем для сокращения условимся изображать наши действия в виде цепочки, в которую могут входить разные уровни меню, функциональные кнопки, заполняемые пользователем поля, а также некоторые действия пользователя по выделению объектов.
-
Наложение граничных условий на расчетную модель.
6.1 Установка податливых опор остова (см. рис. 3). Сначала устанавливается рабочая точка на теле детали, к которой будет привязываться податливая опора: из выпадающего меню Insert выбирается команда Coord и указывается грань или поверхность (рис. 6). Сама опора устанавливается на указанную рабочую точку следующим образом: меню Insert → Constraint → в списке предложенных взаимосвязей указывается Linear Spring/Damper ->Create (рис. 7). Далее необходимо определить основное свойство опоры — жесткость. Для этого в объектном листе указывается опора, вызывается контекстное меню → Properties → Spring/Damper → k=50000 N/mm (рис. 8).
6.2 Приложение газовой силы, соответствующей режиму прокрутки (рис. 9), к стенкам, образующим камеру сгорания по порядку работы цилиндров двигателя (1−3−5−6−4−2), — с использованием табличных данных. Сначала определяется место приложения газовой силы: Insert → Structural Load → выбор поверхности (рис. 6), затем — свойства нагрузки (тип, значение по времени) в такой последовательности (рис. 10): в объектном листе указывается приложенная нагрузка, вызывается контекстное меню → Properties → Structural Load → Type-Pressure → … → Insert Table → Browse → выбирается таблица давления от времени в формате *.txt. Необходимо отметить, что один оборот коленчатого вала соответствует 0,6 с, то есть в четырехтактном двигателе полный рабочий цикл происходит за 1,2 с.
6.3 Добавление источника вращения коленчатого вала, обеспечивающего его равномерное движение с заданной частотой n=100 мин-1. Повторяет все операции, приведенные в п. 6.1, с той лишь разницей, что в списке предложенных взаимосвязей выбирается не Linear Spring/Damper, а Revolute Motor (рис. 7). Свойства источника вращения определяются так: в объектном листе выделяется источник вращения и вызывается контекстное меню → Properties → Motor → Value → 600 deg/s (рис. 11).
- Установка трех рабочих точек A, B и C (рис. 3) — аналогично приведенным в п. 6.1 операциям на остове двигателя. Определение снимаемых с них расчетных характеристик — таких как перемещения по осям X, Y, Z в зависимости от времени. Для этого заходим в меню Insert и выбираем Meter → Position (рис. 12).
- Настройка расчетных параметров среды (метод интегрирования, шаг расчета и др.) через выпадающее меню World → Simulation Settings (рис. 13).
- Непосредственно сам расчет, в результате которого были получены перемещения для характерных точек А, В и С по осям X, Y, Z. Для активации расчета могут быть использованы горячие клавиши Ctrl+R.
- Экспорт полученных данных в табличном виде для их последующей обработки проводится следующим образом: выпадающее меню File → Export → Meter Data.
Расчет выполнялся на персональном компьютере с тактовой частотой процессора 2,4 ГГц и объемом оперативной памяти 1 Гб. Время счета каждой задачи составляет порядка 40 часов.
В задаче, касающейся влияния зазоров в кинематических парах «поршень — гильза» на общее вибрационное состояние силовой установки тепловоза ЧМЭ-3, необходимо указать соударяющиеся детали (п. 4). Для этого сначала подавляется шарнирная зависимость между этими деталями: в объектном листе выбирается шарнир, вызывается контекстное меню и указывается пункт Split (левая часть рис. 14). Далее определяется соударяющаяся пара «поршень — гильза»: в объектном листе указывается поршень с гильзой, вызывается контекстное меню и указывается пункт Collide (правая часть рис. 14). Та же последовательность действий выполняется для всех шести цилиндров.
В ходе расчета были получены кривые перемещения точек А, В и С по осям X, Y и Z при различных зазорах в паре «поршень — гильза». Наиболее интересный результат представлен на рис. 15 для точки В при перемещении по оси Z в промежуток времени от 2,6 до 2,8 с.
При решении задачи о влиянии жесткостей опор на общее вибрационное состояние двигателя указывается соответствующая жесткость: 25000, 50000 или 75000 Н/мм (см. п. 6.1).
Как результат расчета получены перемещения рабочих точек. Часть полученных данных представлена на рис. 16.
Рассмотренный нами пример подтверждает, что visualNastran Desktop 4D является эффективным и простым в освоении программным продуктом, позволяющим решать сложные, в том числе нелинейные задачи динамики механизмов.
профессор кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» ЯГТУ
Тел.: (0852) 44−6833
E-mail: yam@ystu.yar.ru
Сергей Болдырев,
аспирант кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» ЯГТУ
Тел.: (0852) 44−6833
E-mail: boldurevsn@mail.ru
Алексей Болдырев,
Consistent Software Ярославль
Тел.: (0852) 73−1756, 73−1757
E-mail: boldyrev@csoft.yaroslavl.ru
Скачать статью в формате PDF — 673.0 Кбайт |