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.

Рис. 1. Силовая установка тепловоза ЧМЭ-3
Рис. 1. Силовая установка тепловоза ЧМЭ-3

Порядок решения задач исследования динамики механизмов в среде visualNastran Desktop 4D практически одинаков и состоит из следующих этапов:

  1. Построение твердотельных моделей деталей энергетической установки в CAD-системе (в нашем случае использовался программный продукт SolidWorks 2001).
  2. Создание модели сборки механизма в той же CAD-системе.
  3. 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).
    Рис. 2. Загрузка visualNastran Desktop 4D из среды CAD-системы
    Рис. 2. Загрузка visualNastran Desktop 4D из среды CAD-системы
    Рис. 3. Виртуальная модель силовой установки тепловоза ЧМЭ-3 в среде visualNastran Desktop 4D
    Рис. 3. Виртуальная модель силовой установки тепловоза ЧМЭ-3 в среде visualNastran Desktop 4D
  4. 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).
    Рис. 4. Меню Constraint Navigator
    Рис. 4. Меню Constraint Navigator
  5. 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.

    Рис. 5. Выбор свойств материалов из библиотеки visualNastran Desktop 4D
    Рис. 5. Выбор свойств материалов из библиотеки visualNastran Desktop 4D
  6. 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).

Рис. 6. Выбор меню visualNastran Desktop 4D для установки рабочей точки
Рис. 6. Выбор меню visualNastran Desktop 4D для установки рабочей точки
Рис. 8. Меню visualNastran Desktop 4D для определения свойств податливых опор
Рис. 8. Меню visualNastran Desktop 4D для определения свойств податливых опор
Рис. 7. Меню visualNastran Desktop 4D для установки податливых опор
Рис. 7. Меню visualNastran Desktop 4D для установки податливых опор

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).

Рис. 9. Индикаторная диаграмма двигателя на режиме прокрутки
Рис. 9. Индикаторная диаграмма двигателя на режиме прокрутки
  • 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.
  • Рис. 10. Ход определения свойства нагрузки
    Рис. 10. Ход определения свойства нагрузки
    Рис. 11. Меню visualNastran Desktop 4D для определения свойств источника вращения
    Рис. 11. Меню visualNastran Desktop 4D для определения свойств источника вращения
    Рис. 12. Меню visualNastran Desktop 4D для определения расчетных характеристик
    Рис. 12. Меню visualNastran Desktop 4D для определения расчетных характеристик
    Рис. 13. Меню visualNastran Desktop 4D для настройки расчетных параметров среды
    Рис. 13. Меню visualNastran Desktop 4D для настройки расчетных параметров среды

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.

Рис. 14. Меню visualNastran Desktop 4D: справа - для подавления шарнирных зависимостей, слева - для определения соударяющихся деталей
Рис. 14. Меню visualNastran Desktop 4D: справа - для подавления шарнирных зависимостей, слева - для определения соударяющихся деталей

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.

Рис. 15. Перемещение точки В по оси Z при различных зазорах в паре «поршень - гильза»
Рис. 15. Перемещение точки В по оси Z при различных зазорах в паре «поршень - гильза»
Рис. 16. Перемещение точки В по оси Z при различныхжесткостях опор
Рис. 16. Перемещение точки В по оси Z при различныхжесткостях опор
  1. Керчер Б.М., Богданов Ю.С., Клигерман Ю.Я. Исследование перекладки поршня быстроходного дизеля. — Двигателестроение, № 10, 1981, с. 15−19. 
  2. Григорьев Е.А., Ющенко А.А. Экспериментальное исследование пространственного движения поршня в пределах зазора. — Двигателестроение, № 1, 1989, с. 14−16.