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EXCITE


EXCITE培训补充教程 Primer例题简要讲解
(配合安装盘中的手册一起阅读, 不同之处推荐用这里的填法)

分析主题:单缸发动机轴系动力学
DrLan编
.1.

建模步骤
1. 有限元模型准备:曲轴和机体 2. 定义EXCITE对话框: FEM Preference / Units Crank Train Global Load Data 有限元坐标系单位制等 曲柄连杆结构数据 外部载荷

3. 定义BODY和JOINT: Body Crankshaft (Shaft Modeler) ConRod Block

Joint REVO NONL EHD

4. 运行 Create Model: Simulation: Control/ Start Results: Control / Create PP2 curves /Impress Show Animation
.2.

EXCITE文件名和目录
目录或文件名中不得出现汉字和空格 工作目录严格按下面要求: excite目录: *.ex文件 fem目录: crankshaft目录: 缩减文件*.out4等 conrod目录: 模型文件 engine目录: 缩减文件 load目录: 外部载荷文本文件
Load shm <project_directory> excite fem

.3.

有限元模型 使用模态求解器缩减
Nastran 103求解 Ansys子结构求解

.4.

有限元模型缩减 Body Reduction

有限元模型的动/静缩减步骤
有限元模型建立:

Dynamic/Static Reduction of FEM

用前处理器(PATRAN for NASTRAN, PREP7 for ANSYS)做有限 元模型 产生模型文本文件 (*.bdf in Nastran,流命令*.dat in ANSYS用 CDWRITE) 设定主自由度(ASET in NASTRAN, M in ANSYS) 了解关心的结构模态和频率,外载频率和响应频率成分,决定缩 减的模态数量(QSET in NASTRAN, 界面模态数 in ANSYS)

确定缩减类型 用模态分析求解器进行模型动/静缩减
将原FEM上万自由度模型,缩减到几百个主自由度上 得质量/刚度矩阵文件等

检查缩减结果:
总自由度个数=ASET节点主自由度个数+QSET模态自由度个数
.5.

有限元模型缩减 Body Reduction

NASTRAN命令文件
系统设定: NASTRAN BUFFSIZE=65537 。。。 NASTRAN T3SKEW = 3. INIT MASTER(S) 数据临时交换硬盘文件设定: INIT DBALL LOGICAL=(DB1(300mb),DB2(300mb)) INIT SCRATCH(MEM=500) LOGICAL=(A(10)),SCR300=(B(2000mb)) $ ASSIGN DB1='Primer_CS_cond_01.DBALL' 。。。 ASSIGN B='Primer_CS_cond_CON6_01.scr_2000mb' 输出矩阵文件名设定: ASSIGN OUTPUT2='Crankshaft.OUT2',UNIT=22 ASSIGN OUTPUT4='Crankshaft.OUT4',UNIT=33,FORM=FORMATTED ASSIGN OUTPUT4='Crankshaft_MFF.OUT4',UNIT=44,FORM=FORMATTED ASSIGN OUTPUT4='Crankshaft_X2OA.OUT4',UNIT=45,FORM=FORMATTED 使用的nastran求解器103模态分析求解器: SOL 103 导入DMAP命令文件: INCLUDE 'SOL103_CON6_CMS_v2001.dmap_BCD'
.6.

模态自由度: METHOD=3 EIGRL,3,,,74 $ SPOINT,999001,THRU,999020 QSET1,0,999001,THRU,999020

设定主自由度: $ ASET-Nodes ASET1,123,91001,91002,91003

导入有限元网格文件: INCLUDE 'Crankshaft.bdf'

有限元模型主自由度

Master DOF

定义FEM主自由度节点 Definition of Master DOF Nodes
根据分析目的,控制主自由度总量 主自由度选定主要考虑外载、耦合、和结构(质量和刚度分布)等 根据外载力或力矩方向,选定加载点自由度 根据零件间相互作用力或力矩,选定耦合点自由度 根据结构动态行为,选定自由度(如减振器hub) 为避免FEM中单点加载和单点耦合,FEM制作: 加载点或耦合点使用RBE2或蜘蛛 若FEM中无现成节点可做为主自由度节点,可另添加主自由节点。 通过缩减计算获得子结构,设定: Nastran:ASET1 (主节点自由度)和QSET1(模态自由度)
ASET1,123,100001,THRU,100040 ASET1,123456,990001

ANSYS:M命令
M, M, M, 608,UY 608,Rotx 609,ALL
.7.

曲轴总成(CON6) Crankshaft Assembly

3D实体曲轴网格(缩减为CON6类型)
飞轮中心点,用 于加载:受扭矩 负载 耦合止推轴承 (轴向力) 耦合连杆大头和曲柄 销(径向滑动轴承) 用于分析结果:扭振角位 移,角速度等 提示: 曲轴的坐标系决定了除连杆以外 的其它有限元模型的坐标系,也 决定了EXCITE模型的坐标系。 Primer例中,从曲轴皮带轮向飞 轮看是逆时针旋转。 对于大多数从曲轴皮带轮向飞轮 看是顺时针旋转的多缸发动机, 必须定义旋转轴的正向指向飞轮 ,这样发火顺序和自动产生的扭 矩等才是正确的!

主自由度点:主轴颈每点ASET 设定6个方向(RBE2的独立点需耦 合6个自由度)

耦合主轴颈和主轴瓦 (径向滑动轴承:轴 承力和弯矩) RBE2或蜘蛛
.8.

曲轴总成(CON6) Crankshaft Assembly

3D实体曲轴缩减 CON6类型– 主自由度设定和缩减 Natran模型:
3D实体模型 有限元求解器 动静态缩减模型

?曲轴模型文件: Crankshaft.bdf ?缩减提交命令,包括主自由度设定等命令: Crankshaft_cond_v2001_CMS.nas ?DMAP命令: SOL103_CON6_CMS_v2001.dmap_BCD

产生文件:
?OUT2 ?OUT4 ?等
.9.

机体

机体网格(缩减为SMOT类型) 主轴承壁和缸套的网格有严格要求

.10.

机体

主轴承壁
主轴承壁:带瓦、考虑倒角、不同的材料特性 轴瓦表面主自由度点必须:
节点必须等分、等间距,必须是精度的坐标点位置! 主自由度:直接选用节点号。径向轴承:每点可以横向和垂向2个方 向。用于止推轴承(如两侧各四点):每点加轴向1个自由度
提示: Primer中,由于曲轴的每个主轴 颈用三个主自由度点,故轴瓦点 只用对应的三层。 例题缩减时轴瓦写入了5层的 ASET,属于多余行为!造成自 动搜索节点时出现5层轴瓦点, 手工删除第2和第4层,以备定义 NONL的主轴承时使用!

.11.

机体

缸套
在活塞工作面的主次承压侧上,精确的半径 必须顺序排序 定义工作面的节点自由度,Primer中是x和z向

排序

.12.

机体

机体约束边界
用在轴系计算中的机体约束 振动计算不要约束!

轴承壁与缸套间的区域(重 心附近):轴向和垂向

侧:轴向和横向

.13.

简易连杆活塞(NOD6) ConRod+Piston Assembly

必须包含活塞组质量,在Crank Train Globals中给定 注意单位

简易连杆 (含活塞组) NOD6类型
使用 Conrod Modeler
三质量模型,节点 号是: 大头节点:1 小头节点:2 中间节点:3 产生在excite的 计算case中,将 它们移至 fem/conrod目录 下以备使用。包 括:
ConrodModeler.DOFT ConrodModeler.GEOM ConrodModeler.OUT4 ConrodModeler.KDIC ConrodModeler.KELM .14.

EXCITE对话框

.15.

FEM设定 FEM Preferences

第一步:有限元模型设定
FEM全局坐标系:包括曲轴/机 体(连杆除外) 曲轴正向旋转轴 曲轴有限元模型的第一拐朝上方向

OUT4文件常用ASCII文本 有限元用mm模型

.16.

EXCITE单位设定 EXCITE Units

第二步:EXCITE单位显示
单位自定,需与FEM模型一致
EXCITE knows nothing about units

建议使用N-mm-s制
则: 钢密度:7.85E-9 t/mm3 钢弹性模量:210000 N/mm2 SI N-mm-s kg t Mass质量 m mm Length长度 s s Time时间 N N Force力 N/m N/mm Stiffness刚度 Ns/m Ns/mm Damping阻尼 对话框中改单位: 鼠标左键–只变单 位,不变数值 鼠标右键–又变单 位,转变数值
.17.

轴系全局数据 Crank Train Globals

第三步:Crank Train Globals
EXCITE模型坐标系:必须与曲轴FEM坐标系一致 可设变参 旋转轴 垂直轴 Rotx x Roty y Rotz z

自动载荷生成,考虑气缸压力和惯性力
活塞受力

输出扭矩

仅用于3D活塞/缸套接触计算,不填 检查Crank Train 中填入的轴系数据 是否正确
不需填
.18.

轴系全局数据 Crank Train Globals
(方便:第一缸朝上) 要求坐标系: EXCITE模型,有限 元模型,初始条件,着 火条件一致

垂直 方向

气缸中 心线

曲柄销中心点位置 (EXCITE全局坐标系中) 活塞销 偏心, 仅在 3D活 塞计算 中考虑

z y

气缸 方向 着火时刻,如四冲程发动机 直列三缸:可123(相隔240) 直列四缸:1342(相隔180) 直列六缸:常153624(相隔120) V型:注意曲轴向上时,该时刻与 燃烧上死点间的落后或超前

拐方向 连杆坐标 系原点, 位于大头 则σ=0

+ω

曲轴轴 线偏心
.19.

轴系全局数据 Crank Train Globals 注意: Primer例中,是为使用CONROD Modeler,产生带活塞组的简易连杆而用的。

活塞组质量(包括环质量) 活塞销质量 连杆质量 连杆惯量,常不填 小头质量 中间,一般无 大头质量 中间点离大头的距离,一般无 曲柄销质量
.20.

体单元和连接单元 Body and Joint

第四步:定义所有体单元和连接单元

确保耦合关系的正确 要求:连杆、轴承和活塞 导向必须按顺序排列 也可选择显示3D模型
.21.

定义体单元和连接单元
根据不同的应用目标,选择不同的体单 元和连接单元类型 耦合需要的节点自由度,必须定义在体 单元内 有限元网格要求:
应力计算:质量最高 轴承计算和振动计算:质量一般

.22.

体单元 Body

体单元和常用类型
通用(可替代所有类型)

Body Elements

General purposes(all types) Elastic piston

3D活塞:用弹性体(TMOT)
model or beam mass model

连杆:用梁质量(NOD6)或3D实体模型(CON6) Conrod as solid 曲轴: 3D实体(CON6)或Shaft-modeler (NOD6) Crankshaft as
solid model or Shaft-modeler model

发动机机体:用弹性体单元 (SMOT)或刚性单元(ANCH)
Elasticor rigid block without large global motion

平衡轴:实体单元(CON6),或梁质量/Shaft-modeler构建 的 (NOD6) Shaft as solid model or beam massor Shaft-modeler model
(NOD6)

特殊单元,包括:主轴承壁(SMOT) 、轴承轴颈、活塞销和 轴段等 Special elements 驱动系,包括:惯量盘、齿轮轴、齿轮盘、轮、底盘和排 气管图标
.23.

体单元 Body

体类型

Body Type

NOD6,弹性体,梁-质量单元模型,大的全局运动,主要用于曲轴和连杆 (ShaftModeler和ConrodModeler生成,或者梁-质量单元的有限元模型缩减) An
elastic body with large global motion, based on a beam-mass FE model, typically for crankshaft and conrod

CON6,弹性体,缩减有限元模型(实体单元),大的全局运动,主要用于曲 轴和连杆 Elastic body with large global motion, based on a condensed volumetric FE model, typically for
crankshaft and conrod

SMOT,弹性体,缩减有限元模型,小的全局运动,主要用于发动机机体
Elastic body with only small global motion based on a condensed FE model, typically for engine block

ANCH,刚体,无运动或设义运动轨迹,用于不动刚性部件,可定义刚性几 何结构 A rigid body with none or some predefined motion, typically for grounding the model Ri3D,刚性运动体,质量在质心,可以定义刚性几何结构 TMOT,弹性体,缩减有限元模型,大的平移运动,忽略旋转运动,用于活 塞缸套3D分析中的活塞和活塞销 Elastic body with large translational motion, neglecting large rotational
motion based on an optionally condensed FE model, for the Piston and Piston Pin in the elastic piston liner analysis .24.

体单元 Body

Type 类型 ANCH/RI3D SMOT NOD3 NOD6

Body 体单元 Rigid Elastic Elastic Elastic

Motion 运动
No/Yes

Structure 结构 定义 MDOF 缩减 condensed 不缩减 uncondensed 不缩减 Uncondensed, 缩减 Condensed:only nodes without mass can be omitted

node DoF’s 节点自由度 any 1-6any 3all 6all

Example 例

small large large

engine block

Simplified conord

CON3 CON6

Elastic Elastic

large large

缩减 condensed 缩减 condensed

3all 1-6any 至少有一点有 6 个自 由度,如定义质心 crankshaft

TMOT

Elastic

large

缩减 condensed

1-6any

3D piston
.25.

体单元 Body

体特性

Body Property

模型显示

类型选择,如: 简易连杆活塞NOD6 3D曲轴用CON6 简易曲轴NOD6,可用ShaftModeler 质点曲轴RI3D 弹性主轴承壁SMOT 刚性缸套ANCH 在3D界面显示模型,仅Nastran 格式,不参与计算,仅用于检查 初始位置

提示: 有限元模型文件 在Advanced 中 的Data Source 中手工调入。 不采用Primer中 的自动方式,以 免造成不必要的 麻烦!

曲轴CON6中, 指定旋转约束点 常在此定义

材料阻尼:Rayleigh阻尼。 也可选择在Adnvanced中定义,有 四种方式。

.26.

体单元 Body

初始条件

Initial Conditions

仿真开始时全局位置(方向)和运动条件Global position (orientation) and Movement at simulation start
曲轴和连杆运动件,选择Link to Crank Train Globals,将根据转速自动产生初始运 动条件,速度和加速度(平移和旋转) Velocity and acceleration (translatorial and rotational) 主轴承壁等,可以调整初始位置

当选择时,数据自动生成
重新调入

方向 位移 速度 加速度 角位移 角速度 角加速度

.27.

体单元 Body

体单元的主自由度结果,在此申请
-如果重新填入,仅需再运行Create Results 即可
全局结果:指多体动力学结果

节点结果
单节点 节点组

节点号 自由度

绝对数值 相对数值(去均值) 自定义坐标系的点 内力,仅NOD6类型
.28.

体单元 Body

积分方法

Integration Method

-使用缺省设定

常用积分方法

缺省设置(常用)The
default parameter settings are:

α= 0.25 δ= 0.5

与Newmark相当

振动噪声分析时建议可
For NVH we recommend to use:

α = 0.31 δ = 0.6

弹性液动轴承分析时建 议可 For single bearing
analysis - using (T)EHD(2) joints we recommend to use:

α = 1. δ = 1.5

.29.

体单元 Body

模型输入 Data Source
包括Geom、Doft、Stiff.Matrix、Mass Matrix等 可以来自有限元模型、简易梁质量模型、刚体模型
有限元模型:缩减获得,可以用MSC/NASTRAN和ANSYS缩减 简易梁质量模型:有限元模型缩减、或ConRod Modeler、Shaft Modeler产生 刚体模型:无刚度矩阵,可手工直接填入Geom和Doft,如刚性缸套
自由度 几何
从文本文件读入

直接输入

不用

.30.

体单元 Body 有限元缩减时,可选择ASCII(可跨平台,但文件大)或Binary 数据块名可在相应的数据ASCII文件中查得:Nastran模板产生 KSAA和MSAA,其它来源可能是KXX和MXX 可用相对路径,如..\fem\crankshaft\cs.OUT4质量和刚度矩阵文件
刚度阵
同一个文件 ,用数据块 名分开

质量阵

数据块名

转换阵
读入MFF.OU4文件 单元连接

显示用 矩阵

读入X20A.OUT4文件 单元刚度

.31.

EXCITE输入文件 input files

EXCITE输入文件格式

EXCITE main input files

通过有限元模型缩减获得,详见“有限元模型的动/静缩减步 骤” created by FEM model reduction MSC/NASTRAN用户,用DMAP语句来控制。
产生OUT2和OUT4文件,*.Geom,*.Doft来自OUT2 见安装盘中提供的DMAP文件,如 E:\AVL\EXCITE\v6.1.2\fem\nastran中: SOL103_CON6_CMS_v2004.dmap_BCD 文件名:
103求解器_类型_模态缩减_2004版.dmap_ASCII结果

Ansys用户,装入接口后自动产生所以文件。
.32.

EXCITE输入文件 input files

自由度文件 *.DOFT

Freedom

NASTRAN模型由*.OUT2经EXCITE提取出来 ANSYS接口直接产生

文件格式 Format Label
1001 1001 1002 1002 9900 ......

DOF Type
1 2 1 2 0 0 0 0 0 0

自由度DOF: 1-6 .................模型节点自由度 0 ....................q-set 类型Type: 0 or nil ..........a-set or q-set 节点主自由度和模态自由度 1 ....................o-set 非主自由度类型标识 a = analysis set - static condensation 静缩减 q = analysis set - dynamic condensation 动缩减 o = ommited set
.33.

EXCITE输入文件 input files

几何文件*.GOEM Geometry
NASTRAN模型由*.OUT2经EXCITE提取出来 ANSYS接口直接产生

文件格式 Format Label 1001 1002 1003 1005 ... x 0. 20. 20. 20. y 33. 33. 35. 35. z 55. 55. 55. 70.

.34.

EXCITE输入文件 input files

刚度和质量矩阵*.OUT4中
--数据块名刚度阵KSAA(KXX) 质量阵MSAA(MXX)
Stiffness and Mass Matrix

N x N Matrix

矩阵特点:正定的主对角占优对称阵,N为主自由度个数
Matrix property: positive defined diagonal symmetric matrix, N is the number of master degree of freedoms

.35.

EXCITE输入 input

结构材料(金属)阻尼 Body Material Damping
方式一: Rayleigh阻尼 方式二: 线性组合
D = a ?M with : + b ? K

D = Damping Matrix M = Mass Matrix K = Stiffness Matrix

随频率变化的动态相对阻尼
Rayleigh Damping - Frequency/Damping

与Rayleigh阻尼的关系
With and C = a ?M + b?K f1 , f 2 , d1 , d 2 4 ? π ? d1 ? f1 ? f 2 ? d 2 ? f 2 ? f1 a= 2 2 f 2 ? f1 b= d 2 f 2 ? d1f1 2 2 π ? f 2 ? f1

(

2

2

)

(

)
b= d1 2 ? π ? f1
.36.

for f1 = f 2 and d1 = d 2 : a = 2 ? π ? f1 ? d 1 ;

EXCITE输入 input

Rayleigh阻尼参数推荐值
Rayleigh Damping Recommended Data

阻尼阵
常用:瑞利阻尼 线性组合 读入文件 直接输入

其中要求:
曲轴:第一点通常根据结构重要全局低阶频率确定,检查其均值
The first point frequency usually defined by the important low global modal frequency of structure

.37.

体单元 Body

NOD6类型特殊设定

单元(刚度)阵*.KDIC,*.KELM
Element (Stiffness) Matrices

单元(刚度)阵

Element (Stiffness) Matrices

仅对NOD6体
only for NOD6 Body Type

动画显示时节点连接
Node Connection for Animation

显示内力
Evaluating Internal Forces

NOD6类型中的梁单元,可以计算得到内力和力矩。如:用Shaft Modeler生成的NOD6曲轴,可计算曲柄臂内力和内力矩
.38.

Joint连接单元
根据应用目标选用 连接体是作用力单元,通过体单元相连接的节点传递力。作用 力取决于连接节点间的相对位移和速度 分类方式,根据:
作用力,可分为:传递力、传递力矩、传递力和力矩 运动,可分为:平移、旋转、平移和旋转 非线性特性,可分为:弹簧/阻尼、润滑油等类型 连接方式,可分为:轴承、联轴器、活塞缸套导向、悬置等类型 连接主自由度节点的多少,可分为:单点-单点、单点-多点、多 点-多点
.39.

连接单元 Joint

定义连接体 Definition of a Joint
通用类型耦合General Purposes (all types) 通用类型耦合 径向轴承 中心点-中心点 Center to Center (REVO or HDBU) 中心点-面点 Center to Surface(NONL,EHD,EHD2,TEHD) 面点-面点 Surface to Surface (EHD2 or TEHD) 轴向推力轴承 Axial thrust bearing (AXBE) 活塞/缸套 导向 Node to Line Coupling (GUID) 弹性液动 Surface to Surface Coupling (EPIL) 发动机悬置 Engine Mount (NONL,SLS) 减振器 Rotational Coupling (FINT) 自定义力表 传动 旋转轴联轴器耦合 Rotational Coupling (ROTX) 齿轮 差速器 行星齿轮 万向节 皮带连接

.40.

连接单元 Joint

非线性弹簧/阻尼连接体 Non-linear Spring/Damping Joint
类型 Definition
REVO 点对点耦合 Revolute Joint

常用于 Used For
1.径向轴承,如连杆大小头 轴承、主轴承等 Main
bearing, Conrod Big End & Small End Bearing

线性或非线性弹簧/阻尼Linear or Non-linear
Spring/Damper

单点对单点耦合Connection of one node to one
node

一个弹簧,仅传递空间力,方向为两连接点 的方向

2.体间的刚性耦合,此时设 定大刚度

NONL

点对面耦合
径向轴承Radial Bearing

非线性弹簧/阻尼器 Non-linear Spring/Damper
考虑轴承结构的弹性变形Deformation of
Bearing Structure

轴承间隙Bearing Clearance (Gap) 轴颈不对中Journal Misalignment (Moment) 传递力和力矩,可规定只传递径向力
.41.

REVO 旋转轴承

Revolute Bearing Joint

仅连接轴承的单点=>需轴承中心点Connection of only one bearing center node 轴承具有非线性刚度和非线性阻尼Via nonlinear spring/damper function
主轴承中心对主轴颈中心MB center node to crankshaft main journal 连杆大头轴承中心对曲柄销中心conrod to crankpin 活塞销中心对连杆小头轴承中心connects piston pin to conrod

连杆大头轴承
Big end bearing

Conrod BigEnd

REVO radial slider bearing REVO radial slider bearing

Pin

连杆大头轴承 Big end bearing
.42.

REVO 旋转轴承

Revolute Bearing Joint

注意:该体名称与 连接先后有关

对中时

注意单位

偏心时

半径间隙
=直径间隙的一半
.43.

REVO 旋转轴承

Revolute Bearing Joint

Spring Coefficient (N/mm)

CB

C0

1.0E3

1.0E5 0.00 0

1.0E7

0.01

0.02

0.03 XB

0.04

Rel. Displacement ? x (mm)

比照油膜刚度特性,定义: 非线性弹簧刚度随轴颈偏心的增加而迅速 增大。
Nonlinear spring stiffness increase greatly with the eccentricity of the pin

比照油膜及轴承阻尼特性,定义: 非线性阻尼随轴颈偏心的增加而增大。
Nonlinear damping increase with the eccentricity of the pin

.44.

REVO 旋转轴承

Revolute Bearing Joint

液体径向滑动轴承的参数定义
Determination of Parameters for Hydrodynamic Radial Slider Bearings

刚度 Stiffness parameters 在参考位移处at reference displacement (xB):
(半径间隙 radial clearance,adaptation A=1.5~3)

cB =

Fmax,bearing radial clearance

?A

BigEnd Bearing:

Fmax,bearing ≈ Fmax, gas =

πD Pmax
2

Main Bearing:

Fmax,bearing ≈

Fmax,gas 2

? 1,3

4

在零位移处at zero displacement: 阻尼 Damping parameters 在参考位移处at reference displacement (xB): 在零位移处at zero displacement: 参考位移 Reference displacement:半径间隙

c0 = cB ? 10?2

5 ≤ d 0 ≤ 50 [Ns/mm]
1 ≤ d B ≤ 10 [Ns/mm] x B = nom. radial clearance
.45.

NONL 非线性弹簧/阻尼径向轴承 Non-linear Bearing

(I) 用于径向轴承 Bearing

连接一中心点与表面多点connects
one center node of one body with several surface nodes of another body

考虑节点初始距离Gaps can be
considered

可设定为压、拉、或拉压Can be active only in compression or compression and tension direction



曲轴动力学和高级轴承分析中常用 usually used in cranktrain dynamics and advanced bearing analysis

.46.

NONL 非线性弹簧/阻尼径向轴承 Non-linear Bearing

非线性刚度和阻尼
对中时 注意单位

垂直

轴向

偏心时

坐标系

半径间隙
=直径间隙的一半 或1:3:5:3:1 分布方式, 节点连接后 方可设定

轴瓦几何
定义局部坐标系(轴承孔) 轴承中心为原点时,POINT设为0,0,0

定常轴承力,由于外界或不对中产生的静载,常无 FEM间无外载时节点轴向距离,建议节点对齐 轴承孔方向 压 压/拉/压拉 常:取消轴向力 移至圆柱面。若有限元模型节点未精确落在圆柱 面上(微米量),影响轴承间隙,将导入模型误差 圆柱面半径
.47.

NONL 非线性弹簧/阻尼径向轴承 Non-linear Bearing
Primer例子主轴承是3层连接! 注意连接先后 节点组 枚举,手工添入 连接节点,按顺序

节点组 枚举,手工添入 连接节点, 按顺序 节点数等分后分别与上体 节点耦合

提示: Primer中,由于曲轴的每个主轴 颈用三个主自由度点,故轴瓦点 只用对应的三层。 例题缩减时轴瓦写入了5层的 ASET,属于多余行为!造成自 动搜索节点时出现5层轴瓦点, 手工删除第2和第4层,以备定义 NONL的主轴承时使用!
.48.

NONL 非线性弹簧/阻尼径向轴承 Non-linear Bearing

(I) 用于径向轴承 Bearing 液体径向滑动轴承的参数定义
Determination of Parameters for Hydrodynamic Radial Slider Bearings

刚度 Stiffness parameters
在参考位移处 at reference displacement (xB):cB =
(半径间隙 radial clearance) (有效弹簧数参看下页)
Adaptation A=1.5~3

Fmax,bearing radial clearance?# active springs

*A

在零位移处 at zero displacement:

c0 = cB ? 10?2

阻尼 Damping parameters
在参考位移处 at reference displacement (xB): 5 ≤ d 0 ≤ 50 在零位移处 at zero displacement: [Ns/mm] [Ns/mm]

1 ≤ d B ≤ 10

参考位移 Reference displacement:半径间隙

xB = nom. radial clearance
.49.

NONL 非线性弹簧/阻尼径向轴承 Non-linear Bearing

(I) 用于径向轴承 Bearing
有效压 Active non-linear
Spring/Damper Element due to compression

无效拉 Inactive nonlinear Spring/Damper Element due to tension

连接方式:弹簧周向均布,1/3有效压弹簧 单个弹簧刚度:

轴颈中心点 Journal center nodes 轴承孔节点 Bearing bore nodes 主轴承中:

cB =

Fmax,bearing

radial clearance?# activesprings

*A

Adaptation A=1.5~3

2 # active springs ≈ (# springs ) 1200 ?# rows
.50.

Fmax,bearing ≈

Fmax,gas

? 1,3

NONL 非线性弹簧/阻尼径向轴承 Non-linear Bearing

(I) 用于径向轴承 Bearing

根据实际轴承工作情况,建议:
Recommendations to get correct bending behaviour (due to comparison with EHD joints):

1st

2nd

3rd row

使用三层弹簧

Use of 3 node rows:

刚度分布 stiffness distribution 1 - 4 - 1

使用五层弹簧

Use of 5 node rows:

1

-

4 -

1

刚度分布 stiffness distribution 1 - 3 - 5 - 3 - 1 或1-2-4-2-1

弹簧个数 spring number

.51.

连接体定义 Joint

Definition

线性/非线性弹簧/阻尼连接体 Spring/Damping Joint
类型 Definition
AXBE 轴向推力轴承Axial Thrust Bearing
轴向推力轴承
Axial Thrust Bearing

用于 Used For

仅耦合轴向自由度 仅传递轴向力 线性或非线性弹簧/阻尼Linear or Non-linear
Spring/Damper Funct.

轴承轴向间隙Bearing Clearance (Gap)

.52.

AXBE 轴向推力轴承 Axial Thrust Bearing

放大图:轴颈一点和轴瓦 四点构成轴系止推。图中 左右两个止推。

连接推力轴承和轴颈Connects Axial Bearing to Crankshaft 常连接轴颈中心点与轴瓦表面多点(均匀对称) connects one center
node of one body with several surface nodes of another body .53.

AXBE 轴向推力轴承 Axial Thrust Bearing

刚度和阻尼大小可参考该值 注意单位

注意:连接先 后有关

单侧间隙 可考虑节点初 始距离。要求 节点对齐,为0

可设定为压、拉、或拉压弹簧。常选 择压弹簧,需分别定义左右两个推力 轴承
.54.

连接单元 Joint

活塞/缸套连接体 Piston/Liner Joint
类型 Definition
GUID 活塞/缸套导向
Function

常用于 Used For
活塞/缸套导向: 简易连杆活塞时使用,如 振动噪声分析模型中。
Piston/Liner Guidance

Piston/Liner - Guidance

线性弹簧刚度/阻尼Linear Spring/Damper

.55.

GUID 活塞缸套导向

Piston-Liner Guidance Joint

注意连接先后

刚度大小可参考 1e4-1e5N/mm

考虑导向的刚度和阻尼connection piston-liner
considering a linear stiffness and damping acting in the plane normal to the guidance line

两侧节点数量相等,对称且为偶数 单边nmin = 4点

√振动噪声分析中:简易连杆活塞时常用

usually used when piston is not analyzed

.56.

GUID 活塞缸套导向

Piston-Liner Guidance Joint

一般一边4-5点,两边对称

√振动噪声分析中:简易连杆活塞时常用

usually used when piston is not analyzed

.57.

EXCITE对话框(续)

.58.

节点组 Node Sets

辅助工具:节点组搜索
搜索 删除

自动搜索节点:自动读取有限元文件,按 某种特征,编成节点组,供连接使用。 对网格较差的有限元模型,可能无法搜索
容差,搜索小于本 容差的相关节点 主轴承 节点组名 所属体单元名 节点号 推力轴承,所在轴颈号

主轴承 活塞-缸套连接

要求:按顺 序排列

不需这里搜索,手工查FEM

缸套
.59.

外载数据 Load Data

第五步:Load Data-Input转速和燃气压力曲线

气体压力数据 转速工况 红点:鼠标右 键,激活为当 前计算工况 鼠标右键:添加转速 删除 复制 显示

要求: 覆盖发动机转速范围的外特性 包含额定工况点,最大扭矩点,扭振转速点(如果有的话) 转速步长尽量均匀

.60.

外载数据 Load Data
转速 曲线变换 将曲柄转角第一值设为零 曲柄转角平移 压力比例因子 压力加减因子

注意单位

强烈要求从燃 气上死点开始
可选:输入文件名后自动调入,常不用
.61.

外载数据 Load Data

添加气缸压力(绝对值)曲线
选择路径 选择扩展名

文件名(文本) 第一栏 第二栏

注意单位

调入文件格式:两栏, 第一栏曲柄转角, 第二栏气缸压力

预览 无 文本 图

.62.

外载数据 Load Data

外部载荷的数据文件

External Load Data File

载入EXCITE自动生成的载荷,从Load列表中寻找
Load from list of loads generated with AddOn Load-Excitation

载入外部载荷文件,其文件格式如下:

加载节点号 自由度方向 曲柄转角(Deg)或时间(s) 载荷值(至少一个封闭循环)
.63.

外载数据 Load Data

第五步:Load Data-自动生成外载 Load Data Generation

计算显示 当前case 活塞力 曲柄销力 主轴承力 活塞力 燃烧室力 活塞销力 曲柄销力 输出平均扭矩 输出扭矩方差

连杆小头力 活塞销座载荷 曲柄臂载荷 输出扭矩

编辑或检查轴系参数

.64.

外载数据 Load Data

问:有L1,L2,L3,以及L1*,L2*,L3*的具体含义? 蓝:x=时间或曲柄转角,单位可以用鼠标右键变成Crank angle或秒 , L=Load force或moment 黑色线是由程序帮助计算出来的数据data。 颜色线是用作计算的apply load,是通过对黑色线进行变换(上面的那些 transformation)得到。我不建议这里进行变换。所以颜色线和黑线一样。

.65.

外载数据 Load Data

第五步:Load Data-加载到主自由度上 Apply Load
建议自定义
加入所有单元

曲轴:输出平均扭矩, 飞轮中心点
80001

加载 鼠标 右键Off

简易连杆活塞:燃气力, 作用在活塞上(即简易连 杆小头)

选择 载荷

机体:燃气力,燃烧室 中心点
10001

80001

加载点

.66.

仿真控制 Simulation Control

第六步:仿真控制 Simulation Control
一般计算以2个循环为宜,振动噪声计算以6个循环为宜
数据存储 结果存储步长 常:1/24 >=2,常取2, 以保证结果周 期性 改变因子,常:2 常:1度 每几步计算步长存储一次结果 数据存储,常选择,即 Simulation的全部循环 0 2

使用可变步长 常:1/26 常:1/2

使用初始条件的范围,10-30度

迭代收敛条件:常缺省。数值越大,精度越低 角速度 最大迭代次数 积分方法 常用 结构-力 液动轴承-力 缺省 缺省

数据存盘间隔 选择时,用途: 1、中途中断计算后(如停电),可从中断点开始继 续计算,重新run simulation 2、两体距离很大后报错,动画检查原因 常不选(可能会造成存盘问题,因为文件可能 .67. 达1G以上)

仿真控制 Simulation Control

仿真控制 Simulation Control
载荷参考体

对相对于曲柄转角的载荷曲线进行插值 使用参考体 常:曲轴,则所有外载参考角度为曲柄转角 用Globals中的转速 使用其重心,常用 载荷参考点:用户指定匀速点为 用该体单元中的角度偏移量 转速控制体,或在CON6曲轴中做参考匀速点

参考体的旋转角度当作外 载的参考角度,常用曲柄转 角,不用时间The Reference
Body’s rotation angle is used as a basis for load interpolation rather than “real” time. Typically, it is the crankshaft.

重心点或自定义节点作为 仿真时外载角度的参考点 (一般选飞轮中心点等转 速不均匀性较小的节点)
Use Body Reference Frame and Use Defined Node specify the reference frame or a node of the selected body, where the rotation angel should be measured for the load interpolation.

.68.

结果控制 Result Control

第七步:结果控制 Result Control

时域结果 从第2循环开始 deg 将CrankAngle移到零开始

频域结果,常在Impress Chart中制作

一共使用的循环数

等步长结果,常选 加窗类型 输出结果常选择相对曲柄转角,FFT 转换成谐次域频谱;选择时间秒,则 FFT转换成频率域频谱。

结果类型,常选择 幅频和相频结果

.69.

结果控制 Result Control

结果控制
BODY节点结果在BODY中申请
输出常见结果

曲轴全局运动 曲轴截面力和力矩,仅对NOD6类型曲轴 轴承力,力矩,轴心轨迹,相对位移 HD轴承结果(最小油膜厚度,最大油膜压力等) 包括Level2的所有结果

所有连接节点和加载节点 的结果,常:在BODY中设定 需要的节点结果
.70.

运行任务 Run Tasks

第八步:运行 Run Tasks
生成运算模型 仿真 生成结果 生成动画

1.可单项提交任务。 2.成功提交任务后,可关闭提交窗。 3.成功提交simulation后可退出 EXCITE界面,计算在后台继续。 4.若改变了有限元模型,需手工将以 前生成的所有目录删除后重新运 行。 新模型 排队

提交

日志

运行 完成 出错
.71.

EXCITE结果
用Impress Chart直接查看Body结果,如 Primer例中,80001点的ABSOLUTE结果, 第5自由度的角速度就是飞轮转速。 用Impress Chart直接查看Joint结果,如轴承 力和力矩等 用Impress 查看动画

.72.

结果分析 Results Evaluation

轴承载荷 Bearing Loads

.73.

结果分析 Results Evaluation

扭振 Torsional Vibration at Pulley End

.74.

结果分析 Results Evaluation

飞轮转速不均匀性 Speed Fluctuation

飞轮振动

Flywheel Vibration

X

Y

Z

.75.

体单元 Body

体单元的主自由度结果
问:如何申请? 答:在body中要申请的输出这些结果。当然在result control 中可以把所有主自由度的结果都输出出来,可是有些是没什么 用的,占很多硬盘,没有必要。只输出想要的就行。那个是你 想要输出的,你自己决定了。 如:飞轮转速波动,输出曲轴body的飞轮的中心点的旋转 自由度结果就行了。 又如:扭振减振器的减振,输出曲轴body 的hub中心点的 旋转角位移合角速度就可以了。 如果是整机悬置振动计算,在整机body的result中,申请悬 置点的结果。

.76.

体单元 Body

体单元的主自由度结果
问:Absolute和Relative结果的区别 答:Absolute结果是在全局坐标系下的 结果。Relative是相对于该体坐标系的 结果。 比如:皮带轮角位移 (图),Relative结 果就是Absolute结果去除曲轴角位移匀 速增大趋势后的结果,故Relative反映 了皮带轮处的扭振角度。 所以Relative结果常在分析振动(位移 和速度)、转速波动等时使用; Absolute在分析绝对位移、变形、绝对 速度等时使用。
.77.

皮带轮旋转角位移

附一:变参设置

.78.

多计算工况 Multiple Cases

变参设置 Parameters
一般设定为Global变参 先选定好单位

鼠标右键
现有 新全局 新局部

生效
全局

局部

变参

类型 全局/局部

数值

单位 字符串不选
.79.

多计算工况 Multiple Cases

计算工况设定 Case Explorer

加入变参 红色:双击 为当前工况

不同计算工况

多工况运行 Run Simulation

.80.

附二:有限元模型中 RBE2或蜘蛛的要求

.81.

有限元模型主自由度

Master DOF

RBE2和Spider蜘蛛构建
Natran构建方法: 实心体,使用RBE2即可,独立点使用体内点 空心体,建议使用Spider,用无质量硬梁CBAR,主节点ASET1为蜘蛛中心点 用无质量硬梁 主节点
PBAR MAT1 CBAR 1 6 3 6 4000. 2.+6 2.+6 2.+6 210000. 80769.2 .3 1 1001 1002 1. 1. 1.

空心体,使用RBE2时(不建议),中心要加质量单元CONM2(质量=0.) ANSYS构建方法,实心和空心都用Spider: 用硬梁BEAM4,主节点MDOF为蜘蛛中心点 用硬梁 主节点
/COM ANSNAS Material 5 : Untitled EX,5,200000. NUXY,5,0.3 DENS,5,0. MP,REFT,5,0. et,5,beam4,,,0 r,2,4000.,40000.,120000.,,,0. rmodif,2,7,0.,100000.,0.,0. real,2 type,5 mat,5 e, 105319 , 105220
.82.

有限元模型主自由度

Master DOF

RBE2和Spider注意事项
主自由度节点为RBE2独立点或蜘蛛中心点
两个以上的RBE2或蜘蛛,不许抓住同一节点 不许用刚性约束或刚性短梁,来连接多个主节点(已设定了RBE2 或蜘蛛的)

建议耦合6个自由度,可传递力和力矩
RBE2:Couple耦合1-6DOFs 蜘蛛:节点已是6个自由度,不需额外定义

耦合点和加载点为主节点的,必须调整到精确坐标位置 RBE2或蜘蛛不能影响结构的刚度(弯曲和扭转) 避免使用大型的RBE2,可用蜘蛛代替
.83.

有限元模型主自由度

Master DOF

关于RBE2和Spider的问答
蜘蛛和rbe2作用一样,是有限元常用的辅助定义手段,主要用途: 实体单元模型中,避免单点加载产生应力集中 实体单元模型中,施加力矩(扭矩或弯矩) 求解模态或应力时,蜘蛛和rbe2没有任何差别,否则就设定错了。 中空的结构可以使用蜘蛛或rbe2,效果是一样的。只是设定时,在nastran 中,RBE2要一个质量单元在空心处,以便该主自由度节点有6个DOFs; 而spider无需质量单元,因为该空心点已属于梁了(梁的端点有6个DOFs) Spider或rbe2都不能影响原模型的质量和刚度和模态 (这里主要是global 的模态,它们直接控制着轴系扭振和圆角应力) 由于spider或rbe2可能改变其附近的结构刚度和模态,其附近区域不能用来 评价应力。否则更改其设置 怎样检查模型是否正确: 先做不加spider或rbe2的结构模态,它是正确结果 加上spider或rbe2后,global模态与不加时必须一模一样的,否则重新 更改spider或rbe2的设定
.84.

附三:Primer注意事项
Primer是单缸径,不涉及发火顺序的问题,同时例题对曲轴旋向 与坐标系旋转轴的关系也无表述。 Primer计算结果中,飞轮平均转速会略高于设定转速,主要是因 为计算没有考虑气缸阻尼的影响,所以要加稳速边界。可自行用 模块定义,也可在AWS4.1的Simulation Control中定义。这里不 再赘述。 Primer中,CON6类型曲轴的Rotating Restraint at (多体动力学 和弹性体有限元的转速互换点)定义为Inertia Balance Center, 对单缸机扭振计算没有问题。对于多缸机的扭振计算,则需另外 定义参考点(因为柔性扭动的曲轴有限元上,没有一处可以反映 曲轴的全局运动状况)。这里也不再赘述。
.85.


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/. 9. 两个读同一个音的字母并列时,只读一个,如lit'tle,miss,hill,hob'by; clock,neck,black; scene,sci'ence,scythe,excite',except';accord'ing,accuse...
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