1. 研究目的与意义（文献综述）
柴油机自从发明以来，已有百年的历史，因其稳定性好、功率可变范围大、热效率高等等一系列特点而被广泛应用到各个领域。特别是在民用船舶航行方面，2000吨及以上的船舶中，百分之九十五的船舶都是使用柴油机作为主动力源，并且预计这种情况将在未来的几十年里继续保持发展下去[1]。曲轴轴系作为柴油机的核心传动部件，传递作用在活塞顶部的燃气爆发压力，并转变成曲轴的转矩对外输出能量，其力学性能的优劣直接决定着柴油机的力学性能和使用寿命长短。随着柴油机各种强化要求指标更加严格，曲轴轴系的工作条件也越来越复杂多变，因而曲轴的与连杆的疲劳强度、刚度和动静态力学特性在各种交变周期性载荷的作用下是否满足工作要求是柴油机曲轴设计的关键所在。作为柴油机核心运动部件之一的曲轴，其制造和加工工艺复杂、生产周期长，结构参数在很大程度上影响着从柴油机的整体尺寸和使用寿命[2]。fonte等人在研究后提出，在无法保持此力学特性的情况下，就会使柴油机的运行受到影响，对柴油机本身的结构也存在着一定的危害性[3、4、5]。但是该分析并没有详细的进行动力学研究，所以需要对此进行更深一步的研究。
对柴油机曲轴轴系进行动力学计算分析之前，必须对轴系的工作过程和原理进行系统的理论分析，从而对虚拟模型垫定理论基础。对于柴油机机构的动力学分析，通常是指不考虑引起机构运动变化的原因，仅从机构几何位置和时间变化角度的关系来分析计算机构的运动规律[6]。在对曲轴连杆机构进行运动学和动力学计算分析时，通常假定曲轴做某一工况下的匀速旋转运动，并将动力学和运动学的各种参数用以曲轴转角为变量的函数表示，这其中包括活塞的位移，活塞的速度，活塞的加速度，连杆的角位移，连杆的角速度，连杆的角加速度。同时还需要了解柴油机曲轴轴系的受力情况。柴油机内主要有两个方面的基本作用力源，一是气缸内的燃气压力，这是主要作用力源；二是曲柄连杆机构在运动时所产生的惯性力，它与各运动部件的质量成正比。柴油机上的其他作用力都是由这两方面的作用力衍生出来的[7]。缸内的燃气压力随着曲柄转角的不同而做周期性变化，它作用于活塞的顶部，通过活塞的往复运动和连杆的左右摆动来转变成曲轴的转矩，从而对外输出动力。曲柄连杆机构的惯性力包括往复惯性力和旋转惯性力，其中往复惯性力由连杆小头和活塞组的往复运动产生；旋转惯性力由曲拐以及和曲拐相连的连杆大头共同绕曲轴中心线旋转产生[8]。在柴油机工作过程中，所产生的作用力主要有:气缸内燃气对活塞顶部的燃气压力、零件往复或旋转运动时的惯性力、外部负载对发动机的反作用力、运动副间的摩擦阻力等，但在曲轴轴系动力学分析中，一般忽略影响很小的各运动部件的自重和运动副之间的摩擦阻力，视其为零，因而主要分析的内容是燃气压力和惯性力在曲柄连杆机构中的作用情况。通过对曲轴轴系的动力学分析，得到作用在连杆上的动态载荷，最后导入有限元软件ansys中分析连杆在工作过程中的动力学响应是对仿真结果的验证，所以只考虑惯性力在曲轴轴系中的作用情况而忽略运动副间的摩擦阻力等因素。
多体系统动力学的研究对于机械领域来说具有巨大的学术意义和工程价值。多体动力学仿真是一种已经快速发展起来的计算机仿真技术，仿真软件应运而生，如avl-exclte,msc/adams等[9]。adams软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。adams软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。国内如王晓云[10]等对柴油机轴系进行了大量柴油机轴系多体动力学的研究工作，林琼、郝志勇[11]等运用多体动力学方法将adams与matlab相结合建立莫四缸曲轴轴系的多体动力学与流体动力润滑耦合模型，所建模型更接近实际系统，真实的反应了轴承的实际工作状况。梁兴雨、赵丕欢[12、13]等基于虚拟样机技术和多体动力学理论，运用三维建模软件对不同型号的柴油机轴系进行实体建模，综合运用多体动力学分析软件和有限元模态分析软件，分别对柴油机曲轴轴系刚体模型、刚柔混合模型进行动力学仿真分析，得到仿真结果，为曲轴的优化设计奠定基础，为柴油机曲轴轴系的改进提供参考数据和理论判据。而国外对于多体动力学的研究较早，roberson、wittenburg、kane、huston等进一步完善了多体动力学系统理论[14、15、16]，促进了其在实际机械工程中的应用。
2. 研究的基本内容与方案
2.1研究内容
本文主要通过详细了解船舶柴油机的工作原理和工作过程，掌握柴油机曲轴轴系动力学理论基础，利用多体动力学分析软件，建立刚柔混合的柴油机轴系模型，对比研究刚性体模型与刚柔混合模型对动力学分析计算结果的影响规律。
2.2研究目标
3. 研究计划与安排
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查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需技术方案及措施。确定方案，完成英文翻译和开题报告 。 （第1周--第3周）
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查找并阅读文献，总结归纳国内外柴油机的发展状况，针对柴油机轴系，详细分析其结构及工作原理。 （第4周--第5周）
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学习多体动力学分析软件adams，搜集相关轴系参数，完成轴系的刚性模型建模。 （第6周--第7周）
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[1]邱俊,闫晓伟.船用柴油机的现状和发展趋势[j].船电技术,2011,31(06):49-50 59.
[2]黄中华，谢雅，邓弈.混合动力挖掘机轴系扭振特性[j].中国机械工程.2014,25（11）:1142—1146.
[3]m. fonte,v. infante,m. freitas,l. reis. failure mode analysis of two diesel engine crankshafts[j]. procedia structural integrity,2016,1.
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