為滿足現(xiàn)代汽車內(nèi)燃機工業(yè)的發(fā)展需要，必須對傳統(tǒng)的以經(jīng)驗加試驗的設(shè)計方法進行改進。汽車內(nèi)燃機作為整車研發(fā)中技術(shù)含量最高、最核心的技術(shù)，開發(fā)目標的要求和難度越來越高。近年來，虛擬樣機技術(shù)在內(nèi)燃機領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。ADAMS（Automatic Dynamic Analysisof Mechanical System）是美國MDI公司（2002年被MSC收購）研制的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機專業(yè)軟件。現(xiàn)在世界上主要汽車制造商都在應(yīng)用ADAMS數(shù)字化虛擬樣機軟件，它可仿真任何運動系統(tǒng)。ADAMS虛擬樣機技術(shù)的基本應(yīng)用過程如圖1所示。本文初步實現(xiàn)其中的前期處理部分，通過建立內(nèi)燃機的虛擬樣機模型，利用ADAMS軟件對其進行了動力學(xué)仿真分析，仿真結(jié)果與客觀實際相符。本文應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)對內(nèi)燃機模型進行動力學(xué)仿真，為汽車內(nèi)燃機的設(shè)計提供了新思路。
二、內(nèi)燃機虛擬樣機建模
（一）將三維模型導(dǎo)入ADAMS仿真環(huán)境
本文采用美國PTC公司的Pro/E作為建模軟件，建立的內(nèi)燃機主體三維模型如圖2所示。然后利用ADAMS/Exchange模塊將在Pro/E中裝配好的內(nèi)燃機模型導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境下（先將文件轉(zhuǎn)換為.igs格式），在這個過程中內(nèi)燃機各個零件之間的裝配關(guān)系是保持不變的，建立的虛擬樣機如圖3所示。
（二）2.2材料設(shè)置及運動副的施加
將三維模型導(dǎo)入ADAMS后，需對模型賦予材料屬性，力學(xué)屬性，再根據(jù)實際的運動學(xué)關(guān)系對發(fā)動機模型主要部件之間施加約束，定義構(gòu)件運動的初始條件，將其定義為機械系統(tǒng)仿真模型，進行系統(tǒng)動力學(xué)仿真。
本文創(chuàng)建活塞零件材料為鋁合金，其密度和彈性模量設(shè)置如圖4所示，同理給連桿、曲軸、氣閥和凸輪軸設(shè)置材料屬性。使用ADAMS/View中的約束庫在零件之間創(chuàng)建約束副（Constraint），以確定零件之間的連接情況以及零件之間是如何相對運動的。
1.將氣缸蓋與氣缸體定義為固定體，與大地（ground）相聯(lián)；
2.凸輪軸與氣缸蓋之間的旋轉(zhuǎn)副（RevoluteJoint）；
3.凸輪軸與氣閥之間定義為固體與固體接觸（Contact-SolidtoSolid）；
4.四個氣閥與氣缸蓋之間的移動副（TranslationalJoint）；
5.活塞與氣缸體之間的移動副；
6.活塞銷與連桿小頭之間的旋轉(zhuǎn)副；
7.連桿大頭與曲柄之間的旋轉(zhuǎn)副；
8.曲軸與氣缸體之間的旋轉(zhuǎn)副。
（三）載荷的施加
載荷的施加包括定義氣缸對活塞的壓力、氣閥桿頂端和氣缸蓋之間的彈簧力、凸輪和氣閥之間加入面-面接觸力、重力加速度。其中，根據(jù)氣缸內(nèi)流體動力學(xué)數(shù)值仿真結(jié)果，利用一個工作循環(huán)內(nèi)的缸內(nèi)壓強數(shù)據(jù)，可以得到氣缸內(nèi)壓強曲線（DataSpline）SPLINE_fpiston，如圖5所示。圖中自變量X表示時間（單位為毫秒），因變量Y表示氣缸內(nèi)氣體壓強（單位為105帕）?；钊艿目偟臍怏w平均壓力為活塞上、下兩側(cè)空間內(nèi)的氣體壓強差與活塞截面積的乘積。在ADAMS中燃氣壓力采用Spline函數(shù)進行曲線定義，采用AKISPL函數(shù)式進行表達。
三、測試和驗證模型
創(chuàng)建完模型后，可以對模型進行運動仿真，通過測試整個模型或模型的一部分以驗證其運動的正確性。在對模型進行仿真的過程中，ADAMS/View自動計算模型的運動特性和力學(xué)特性，如距離、速度、加速度、力、力矩等信息。
（一）創(chuàng)建驅(qū)動（Motion）
創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)驅(qū)動MOTION_crank，將它應(yīng)用于曲軸與氣缸體之間的旋轉(zhuǎn)副JOINT_revcrank。設(shè)置發(fā)動機以恒定轉(zhuǎn)速運行，轉(zhuǎn)速為3000rpm；設(shè)置仿真步長為0.1ms，仿真時間為40ms，即發(fā)動機的一個工作循環(huán)，仿真類型為動力學(xué)仿真（Dynamic）。
（二）創(chuàng)建測量（Measure）
1.曲軸轉(zhuǎn)角和連桿擺角
利用函數(shù)創(chuàng)建曲軸轉(zhuǎn)角（rotate_angle）的測量參數(shù)，輸入?yún)?shù)表達式0.1PItime；利用角度測量方法（BuildMeasureAngle）創(chuàng)建連桿擺角（tilt_angle）的測量。
2.活塞所受合力及發(fā)動機的指示轉(zhuǎn)矩
當(dāng)不考慮與氣缸壁的摩擦力時，活塞所受合力為作用于活塞上的氣體壓力和慣性力，由于作用方向都是沿氣缸中心線，故作用于活塞上的合力是氣體壓力與往復(fù)慣性力的代數(shù)和，所以合力的參數(shù)表達式為：_gas_force+_inertia_force合力將在曲柄連桿機構(gòu)中產(chǎn)生一系列的力和力矩。如圖6所示，可以將合力F進行分解以分析力的傳遞效果。發(fā)動機指示轉(zhuǎn)矩（indicate_torque）的參數(shù)表達式為：ABS（_total_force30（sin（（_angle+_angle）PI/180）/（cos（_anglePI/180））））。
四、仿真結(jié)果及分析
創(chuàng)建完成虛擬樣機系統(tǒng)模型后，可用ADAMS/View中的Simulation/Controls對發(fā)動機主運動系統(tǒng)進行動力學(xué)仿真。仿真時ADAMS/View調(diào)用ADAMS/Solver進行求解。在仿真開始前，ADAMS/Solver根據(jù)模型的自由度判斷是進行運動學(xué)仿真還是動力學(xué)仿真。如果整個模型的自由度為0，則進行運動學(xué)仿真;如果整個模型的自由度為1或者大于1，則進行動力學(xué)仿真。ADAMS提供了ADAMS/PostProcessor以提高ADAMS仿真結(jié)果的處理能力。仿真結(jié)束后可以得到模型的所有測量參數(shù)及ADAMS預(yù)設(shè)的動力學(xué)參數(shù)的變化曲線。如圖7至圖11所示，在曲軸以3000rpm保持勻速時，活塞和連桿的動力學(xué)特性曲線完全符合平衡狀態(tài)下的物理規(guī)律?；钊俣确逯导s為9.8m/s，加速度出現(xiàn)兩個峰值，分別約為3700m/s2和2250m/s2；活塞所受合力的變化范圍大致是-170000N～4000N；連桿的擺角峰值為±15°，呈正弦曲線變化；當(dāng)氣缸工作在燃燒階段出現(xiàn)尖峰壓力時，內(nèi)燃機的輸出指示轉(zhuǎn)矩也達到最大，最大值約為180Nm，并在其他時刻有小幅波動。可以非常直觀地看出，活塞的加速度曲線及其往復(fù)慣性力曲線、連桿擺角曲線及其動力學(xué)特性曲線都是呈周期性變化的。仿真分析結(jié)果可以作為發(fā)動機進一步性能優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。
五、結(jié)束語
本文運用3D軟件Pro/E建立內(nèi)燃機三維模型，通過ADAMS/Exchange模塊導(dǎo)入ADAMS，實現(xiàn)了Pro/E與ADAMS的無縫連接，并對內(nèi)燃機虛擬樣機進行了動力學(xué)仿真分析。在無實際的物理樣機的條件下，ADAMS虛擬樣機仿真可提供大量的運動學(xué)和力學(xué)參數(shù)結(jié)果，這些結(jié)果可用于分析機械系統(tǒng)運動特性，也可用于下次分析的輸入。然而實際中的內(nèi)燃機非常復(fù)雜，運動時涉及到很多參數(shù)，本文只是在比較低的層面上對內(nèi)燃機進行動力學(xué)仿真，以比較直觀地展現(xiàn)內(nèi)燃機的一些運動規(guī)律，得到了所有動力學(xué)參數(shù)在內(nèi)燃機工作時的變化過程。
在內(nèi)燃機的研究開發(fā)中，ADAMS虛擬樣機技術(shù)可提高設(shè)計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，并降低開發(fā)成本。
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