斯特林机菱形机构结构优化与刚柔耦合动力学仿真

发布时间：2017-04-19 16:00

  本文关键词：斯特林机菱形机构结构优化与刚柔耦合动力学仿真，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：斯特林发动机是一种具有广泛能源适应性的外燃式热气机，它的应用研究在解决能源危机、减少尾气排放及若干特殊军事应用领域具有重要意义，尤其是在太阳能热发电方面具有广阔的应用前景。菱形传动机构作为斯特林发动机的能源转化、输出机构，其结构动力学性能对斯特林发动机的整体性能有着重大影响。本文基于多体动力学（MBS）理论，采用Pro/E、MSC.ADAMS及ANSYS联合仿真的方法，将连杆构件视为可变形的柔性体，建立菱形传动机构的刚柔耦合模型，，并进行相应的动力学分析。 首先，对斯特林循环及斯特林发动机的原理进行了阐述，给出菱形传动机构的设计结构尺寸，采用等温分析法对该斯特林发动机的整体性能进行理论计算，包括冷腔、热腔、回热器等的容积计算、工质压力与循环功计算、工质在循环过程中的流量与分布计算等。 其次，介绍了菱形机构的特点，对菱形传动机构的运动规律进行了分析，其中包括动力活塞与配气活塞的位移、冷热腔的容积变化等，并推导出了其循环功表达式。在此基础上综合考虑整机外形尺寸的限制、构件的运动范围、机构存在的条件等建立了β型菱形传动斯特林机功率优化数学模型，并通过MATLAB遗传算法工具箱进行了求解。 最后，采用Pro/E建立菱形传动机构的三维模型，导入MSC.ADAMS中添加驱动与载荷，建立菱形传动机构的虚拟样机模型。分别介绍了几种柔性体的建立方法，使用有限元分析软件ANSYS建立连杆构件的柔性体模型，生成模态中性文件MNF，并在ADAMS/AutoFlex模块中对柔性体进行必要的编辑，将柔性体替换刚体模型中的相应构件，进行刚柔耦合动力学分析。研究了构件的弹性变形对机构的运动及动力学特性的影响，并与刚体模型相对比，并导出连杆柔性体构件的载荷谱（.lod），作为有限元程序的边界条件，对连杆进行应力分析与强度校核。
【关键词】：菱形传动机构 虚拟样机 刚柔耦合 动力学仿真 ADAMS
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK40
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-18
• 1.1 论文的选题背景8-12
• 1.1.1 斯特林发动机的发展史9-10
• 1.1.2 斯特林发动机的优点10-12
• 1.2 相关领域国内外研究现状12-16
• 1.2.1 斯特林机国内外研究现状12-14
• 1.2.2 结构刚柔耦合动力学仿真国内外研究现状14-16
• 1.3 本文的主要工作16-18
• 2 菱形传动斯特林机性能分析与计算18-34
• 2.1 斯特林循环与斯特林机原理18-20
• 2.1.1 斯特林循环18-19
• 2.1.2 斯特林机分类19-20
• 2.2 菱形传动斯特林机的结构参数20-21
• 2.3 基于等温分析法的菱形传动斯特林机性能分析与计算21-32
• 2.3.1 冷热区容积计算21-26
• 2.3.2 工质压力与循环功计算26-29
• 2.3.3 工质流量与工质分布29-32
• 2.4 本章小结32-34
• 3 基于遗传算法工具箱的菱形传动机构结构优化34-48
• 3.1 菱形传动机构简介34-40
• 3.1.1 菱形传动机构的基本结构34-35
• 3.1.2 菱形传动机构的运动规律35-40
• 3.2 MATLAB 遗传算法工具箱40-42
• 3.2.1 遗传算法简介40-41
• 3.2.2 遗传算法工具箱41-42
• 3.3 基于 MATLAB 遗传算法工具箱的结构优化42-47
• 3.3.1 菱形传动机构优化模型的建立42-45
• 3.3.2 求解及优化结果分析45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 4 菱形传动机构刚柔耦合动力学仿真48-74
• 4.1 基于虚拟样机技术的联合仿真方法与流程48-52
• 4.1.1 基于 Pro/E 和 ADAMS 的联合仿真方法与流程48-50
• 4.1.2 基于 ADAMS 和 ANSYS 的刚柔耦合建模方法50-52
• 4.2 菱形传动机构连杆柔性体的建立52-58
• 4.2.1 ADAMS 中柔性体的建立方法52-53
• 4.2.2 柔性体建立的关键问题53-54
• 4.2.3 模态中性文件 MNF 的生成54-58
• 4.3 菱形传动机构刚柔耦合虚拟样机建模58-62
• 4.3.1 菱形传动机构三维建模58-60
• 4.3.2 使用 Mech/Pro 定义刚体、标记点及简单约束60-61
• 4.3.3 添加驱动与载荷61-62
• 4.3 动力学仿真结果与分析62-71
• 4.3.1 刚体模型仿真结果与分析62-65
• 4.3.2 刚柔耦合仿真结果与对比65-71
• 4.4 连杆强度校核71-72
• 4.5 本章小结72-74
• 5 结论与展望74-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-82
• 附录82
• A. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目82
• B. 作者在攻读硕士学位期间所获奖励82

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 邹城;小型斯特林发动机换热系统的研究[D];广东工业大学;2013年

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本文编号：316597