1、LMS Virtual.Lab的發動機多體動力學仿真解決方案目錄1 LMS Virtual.Lab虛擬仿真平臺32 LMS Virtual.Lab Motion介紹43 LMS Virtual.Lab Motion軟件特點74 LMS Virtual.Lab發動機仿真解決方案144.1 解決方案概述144.2 發動機專用功能模塊介紹174.2.1 考慮自身質量的螺旋彈簧建模174.2.2 轉速計和燃燒單元174.2.3 凸輪接觸面定義184.2.4 液壓間隙調節裝置184.2.5 彈性液動軸承194.2.6 活塞潤滑194.2.7 正時鏈（帶）傳動204.2.8 齒輪傳動215 參考用戶221

2、 LMS Virtual.Lab虛擬仿真平臺 LMS Virtual.Lab虛擬試驗室提供功能品質工程的集成解決方案。提供一套集成軟件包用以模擬機械系統的品質屬性，如結構完整性、振動噪聲、耐久性、系統動力學特性、駕駛的平順性及操縱的穩定性等等。LMS Virtual.Lab包括所有關鍵過程步驟及所需的技術，可以遠在進行昂貴的加工和實物試驗之前對每個關鍵屬性進行從頭到尾的評價。采用LMS Virtual.Lab，設計部門能夠快速有效地分析多個設計方案，使設計方案的選擇主要從關鍵品質屬性的角度出發。LMS Virtual.Lab基于達索公司的PLM開放式軟件平臺CAA V5，內嵌完備的Catia

3、CAD建模功能。l 結構分析軟件包Virtual.Lab Structures LMS Virutal.Lab Structural Analysis 使得我們的設計工程師可以完全在CATIA V5的基礎上完成有限元網格的前處理分析。使得CAD數據和分析數據參數化全相關，由于Virtual.Lab數據格式和CATIA數據格式完全一致。使用Virutal.Lab Structural 我們可以隨時直接修改CAD幾何參數，分析結果就會相應的自動改變。這樣就能夠節省設計和分析工程師大量的時間，同時消除了CAD和CAE數據之間的不相關問題，軟件在AIRBUS、BOEING得到了廣泛的使用。l 多體分析

4、軟件包Virtual.Lab Motion LMS Virtual.Lab運動學和動力學軟件用于模擬各種機械系統的實際運動和載荷。它使工程師可以快速地分析和優化其機械設計的實際運動，并保證在進行實物試驗前，設計方案和預期的結果一樣。參數化的應用模板和優秀的求解器進一步為虛擬原型設計提高了效率。l 疲勞分析軟件包Virtual.Lab Durability LMS Virtual.Lab耐久性軟件可以幫助工程師預測疲勞熱點和相關部件及子系統的疲勞壽命。它將動態部件載荷與從結構有限元模態和材料的SN曲線相結合，耐久性后處理模塊幫助工程師獲得危險區域的反饋，了解疲勞問題的根源，從而快速評價多個設計方

5、案。LMS公司使系統級耐久性分析成為可能，并付諸實踐。l 聲學分析軟件包Virtual.Lab Acoustic LMS SYSNOISE技術突破大大加速了聲學仿真的速度很多情況下快100倍。通過將SYSNOISE技術集成到LMS Virtual.Lab，LMS創建了世界上第一個從頭到尾的聲學品質工程環境，從概念開發，通過使用虛擬模型進行設計修改，最后到基于試驗的驗證。l 振動和混合仿真Virtual.Lab NVM利用LMS Virtual.Lab NVM模塊，讀入各部件（或聲學路徑）的動力學模型（有限元模型、模態試驗模態、試驗傳遞函數），在圖形界面上交互式定義各部件之間的裝配點，將各部件模

6、型裝配成系統級模型。裝配點處可定義為剛性連接、隨頻率變化的彈簧阻尼裝置等?；贔RF（或模態）的子結構綜合技術，求解出系統級模型上響應點與激勵點之間的FRF，從而求解出強迫振動（噪聲）響應，而求解規模和時間比傳統有限元模型節省的多。l 優化設計軟件包Virtual.Lab OptimizationLMS Virtual.Lab可以提供一整套強大的優化功能，用于單屬性和多屬性優化。通過試驗設計（Design of Experiments）和響應表面建模（Response Surface Modeling）技術，工程師能夠快速檢測出所有滿足需要的設計方案。采用先進的優化算法，包括6 Sigma方法

7、，進行魯棒性、可靠性分析.2 LMS Virtual.Lab Motion介紹LMS Virtual.Lab Motion基于計算多體系統動力學建模理論及計算方法研究，是專門為模擬機械系統的真實運動和載荷而設計的，可作為力學教學輔助工具。它提供了有效的方法可以快速創建和改進多體模型，有效地重復使用CAD和有限元模型，并能快速反復模擬評價多種設計方案的性能。工程師可以在早期的開發階段利用靈活可調的模型進行概念上的運動學和動力學研究，并在后續階段中結合試驗數據進行更具體的評估。用戶通過軟件用戶交互界面輸入描述機械系統的最基本數據，軟件建立復雜機械系統運動學和動力學程式化的數學模型，并利用內嵌的處理

8、數學模型的計算方法和數值積分方法自動進行程式化處理，得到運動學規律和動力學響應。同時能實現有效的數據后處理，采用動畫顯示、圖表或其它方式提供數據處理結果?？傊?， LMS Virtual.Lab Motion可以幫助工程師評價復雜機械系統的真實性能，為結構分析、耐久性和振動噪聲研究提供精確的載荷，同時還能在樣機試驗前分析和優化機械系統的真實性能。輕松的機械建模LMS Virtual.Lab使工程部門能快速地創建和改進虛擬樣機模型。采用LMS Virtual.Lab Motion，用戶可以從頭開始創建概念模型，導入CAD部件和總成或使用已存在的多體模型。高性能設計功能加速了部件和建模的裝配。當創建

9、運動副時，需要連接的部件會自動地連接在一起。并且當修改一個部件的尺寸時，LMS Virtual.Lab Motion會自動更新整個系統。 基于CATIA V5實體建模器的單個部件的設計 質量數據、連接和邊界條件完全與幾何體結合 提供與CATIA, I-DEAS, Pro/E, UG及其它主流CAD軟件包的接口 輕松導入LMS DADS與MSC.ADAMS模型模擬真實性能LMS Virtual.Lab Motion提供一切工具，精確模擬系統在真實加載條件下的性能。用戶可以輕松地從機構模型庫里面挑選單元，精確地模擬摩擦力、重力、彈簧剛度、斷續接觸、部件彈性及其它物理量。由LMS Virtual.L

10、ab Motion預測的運動和內部載荷是指導部件、連接、發動機和作動器設計的基本條件。穩定和高性能的求解器保證了甚至最復雜動力學問題的精確和及時的處理。 基于LMS DADS求解器，因其精確性和穩定性聞名 包括運動學、動力學、準靜態和預載分析 計算力、位移、速度和加速度結果顯示及說明以不同顯示形式顯示的模擬結果使同事和用戶可以準確地展開設計，并做出正確的工程決策。同步的二維圖和三維動畫顯示，直接把力和加速度的極值與機構位置相對應。專門的后處理功能可以幫助工程師輕松地識別和有效地解決工程問題。 基于細致CAD模型的碰撞檢測 運動包絡線和力矢量的動畫顯示 結合位移和應力的動畫顯示 快速的模型驗證L

11、MS Virtual.Lab Motion軟件提供了一個有效和反復的相關性和驗證過程。它具有調節模型參數值的功能，并能通過更復雜建模單元的定義推進模型的設計深度。通過把試驗數據和仿真模型相結合，可以加強模型的質量。當改變一個參數時，LMS Virtual.Lab Motion自動更新所有有關的分析結果和管理所有需要的數據運算。有效的設計空間探索LMS Virtual.Lab Motion能夠以很高的自動化方式針對不同的設計選擇和不同的步驟進行完全的運動模擬過程。LMS Virtual.Lab Motion消除了管理任務，避免了錯誤的發生并能進行自動的連續分析。不同的參數設置無縫地貫穿完整的運動

12、模擬過程。這些自動化的參數化分析使工程師能快速地探索設計空間。3 LMS Virtual.Lab Motion軟件特點1) LMS Virtual.Lab Motion基于CATIA V5的平臺，具有完備的CAD建模功能，是市面上唯一一家Catia與機械系統分析完全集成的多體動力學分析軟件。當在LMS Virtual.Lab Motion中建立模型時，工程師可以直接導入或建立不同零件的細節化CAD模型或幾何框架，創建構件之間的約束和連接關系，確保能正確描述整個系統運動學性能。之后工程師通過考慮機構的動力學特性對模型及其邊界環境進一步進行定義，以準確預測系統中的時域載荷。此時除定義剛度、阻尼、接

13、觸和摩擦等部件間作用力之外，還要給定重力、質量、及慣量等。作用力的施加可以通過一系列數學模型實現，例如彈簧力、阻尼力、襯套力以及和周圍環境密切相關的接觸力。簡單的力單元如基本彈簧，復雜的如精細輪胎等。2) 深入精細建模，獨特的剛柔耦合分析功能基本多體模型建立后，可以通過更為詳細的受力描述對其細化。例如，當一個結構的剛度不足以將其視為剛體時，工程師可以用柔性體來描述該結構。通過預先計算好的模態振型，可以得到結構在大的外載荷作用下產生的變形。模態數據可以由結構本身仿真得到，或導入外部的試驗數據。起媒介作用的長柔性體如懸架穩定桿或風力渦輪機葉片等，可自動分解為多個梁的組合結構，用于計算結構受載時總的

14、非線性變形。LMS Virtual.Lab Motion多體動力學軟件中有對輪胎力、襯套力、彈性體接觸、齒輪接觸、梁、發動機、燃燒載荷、液力軸承、空氣動力等多種復雜力學模型的詳細建模模板。Virtual.Lab Motion獨特的剛柔耦合分析功能，直接在Virtual. Lab用GPS模塊劃分網格，編輯網格，計算結構模態亦可后臺驅動Nastran和Ansys求解結構模態，能夠準確方便的將有限元模型與剛體模型耦合在一起，形成剛柔混合的多體動力學模型。3) LMS Virtual.Lab Motion強大的接觸分析能力有豐富的接觸類型來滿足工程上快速求解復雜接觸問題的需求。除了可以定義各種接觸類型

15、如點對點、點對拉伸面、拉伸面對旋轉面等，對于復雜幾何體之間的接觸，還可以通過定義有效接觸面來大大提高接觸分析的效率。支持剛性接觸，剛柔接觸和柔柔接觸的建模和仿真。4) LMS Virtual.Lab Motion求解器將經典分析力學求解方法和自遞歸的求解方法和二為一我們知道，自遞歸求解器對于有大量重復物體的機構的求解具有求解速度快、求解穩定的優勢。但是對于復雜拓撲構型的機構，經典的分析力學求解器占有優勢。LMS Virtual.Lab Motion的求解器將經典分析力學求解方法和自遞歸的求解方法和二為一，取兩家之長，揚長避短，在保證精度的同時，大大提高了各種復雜機械系統的求解速度。5) 穩定快

16、速的求解及豐富的后處理功能模型建立后，工程師可進行求解并同時用動畫和圖表等方式查看結果，從而更好的理解模型行為。工程師可以方便地改進原有設計使結構滿足目標性能要求，包括載荷和應力指標等等。6) 機-電-液一體化聯合仿真LMS Virtual.Lab Motion 與主流的控制軟件 AMESim, Matlab, DS Plus等均有很好的接口，能進行1D與3D相結合的仿真。特別是與AMESim的接口，非常完善。當模型包含液壓、作動器、電磁等非常明確且詳細的控制和力的作用時，工程師可利用包含在LMS Virtual.Lab 和LMS Imagine.Lab （AMESim）中完備的機電分析功能進

17、行聯合仿真。ForceDisplacementVelocityActuatorSensorLMS Virtual.Lab Motion7) 專業的應用模塊和子機構裝配功能LMS Virtual.Lab Motion擁有專用設計模塊，這些模塊能夠幫助使用者提高效率，快速建立所需的專業詳細模型，這大大縮短了手工建模的時間。專用設計模塊界面位于LMS Virtual.Lab Motion用戶交互界面之上，工程師可用其進行專業模型建模以及分析工況的設置。除專用設計模塊外，使用LMS Virtual.Lab Motion可以將現有子機構裝配成一個系統。通過這種方法，公司中的子系統設計部門可以在保持系統級

18、協同的同時進行獨立工作。8) LMS Virtual.Lab是一個用以模擬機械系統品質屬性的集成平臺，實現了多體動力學仿真和優化以及振動噪聲等模塊之間的無縫連接。 LMS Virtual.Lab提供進行多屬性仿真的無縫集成環境。結合LMS Virtual.Lab Motion和LMS Virtual.Lab Optimization，可對多體動力學模型進行優化。優化設計變量涵蓋CAD模型設計尺寸參數到CAE模型中的各種力學參數；結合LMS Virtual.Lab Motion和LMS Virtual.Lab Durability可進行系統級疲勞分析，多體仿真得到的載荷數據程序自動匹配并導入疲勞

19、分析模塊中。使用者可直接利用匹配好的載荷數據進行結構的疲勞分析；LMS Virtual.Lab Motion創建的模型可以直接導入到LMS Virtual.Lab NVM中進行機構的振動分析，分析結構進而可作為邊界條件在LMS Virtual.Lab Acoustic中進一步對結構進行噪聲分析。 在LMS Virtual.Lab Motion中，從CAD模型的長度尺寸到CAE模型中的各種力學參數，都可以被定義成Optimization中的設計變量進行優化，大大縮減典型工程設計過程中大部分的非增值時間。 此外，通過設計桌面和配置功能來實現模型參數的設置和修改，既節省時間，又防止在文件調用和更新中

20、出錯，使工程師可以將更多的時間花在實際分析階段而非建模階段。9) 基于VBA的二次開發功能利用LMS Virtual.Lab Motion中基于VBA的日志和腳本功能，可對任意操作過程進行記錄和復現?；赩BA的二次開發功能是LMS Virtual.Lab Motion的另一個突出優點。通過該功能，工程師在LMS Virtual.Lab Motion框架內部或上層建立專用的功能菜單或操作界面和模板。從而實現對某一特定功能的操作流程進行定制，并集成到特有的操作界面和模板上。通過基于VBA的二次開發功能，不僅可以避免大量重復性工作，縮短產品開發時間；同時使得建模仿真過程的重心由當前設計的性能分析轉

21、移到總體設計的性能優化上來。10) 結合測試數據進行更真實的仿真LMS Virtual.Lab Motion與測試結果相結合，能將模態測試的模型直接用于多體仿真。測試數據是積累的寶貴財富，在仿真中充分利用測試的模態模型，測試的力，測試的聯結剛度等均可用于多體仿真。4 LMS Virtual.Lab發動機仿真解決方案4.1 解決方案概述 LMS Virtual.Lab 為發動機建模提供完備的建模模板PDS（Powertrain Dynamic Simulator）。該模板中集合了眾多發動機建模和仿真需要的工具和專業特征庫，使得創建詳細發動機仿真模型過程更為快速便捷。通過PDS模板創建的發動機模型

22、可以很方便的導入LMS Virtual.Lab Motion，軟件根據PDS中定義的模型信息自動創建完整發動機多體動力學模型。PDS中定義的各種參數都對應轉換為LMS Virtual.Lab Motion中的參數，并列舉在特征樹上。當模型導入LMS Virtual.Lab Motion中之后，可以隨意對模型進行進一步的操作。由于模型可以在一個功能豐富、通用的環境（LMS Virtual.Lab Motion）中進行編輯修改，克服了該類建模模板的傳統局限。CrankTrainTimingBeltTimingChainAccDriveGearTrainValveTrainPDSVirtual.La

23、bMotion PDS發動機建模模板 完整的發動機模型或者任意單獨構件都可通過速度掃速單元（speed-sweep element）定義驅動，完成升速分析（run-up）。升速過程可以定義為連續的（角度或隨時間變化的轉動輸入）或者不連續的。結果數據可以通過數字信號處理功能（Digital Signal Processing）進行處理，得到其頻譜的瀑布圖或階次截圖。標準和專用的后處理功能讓用戶更好更快的理解仿真結果和系統的行為。新增的曲線圖功能包括扭振測量、極坐標圖、軌道圖、和三維瀑布線圖，可投影得到單個RPM或單個頻率上的頻譜。 由于LMS Virtual.Lab提供進行多屬性仿真的無縫集成環

24、境。結合LMS Virtual.Lab Motion和LMS Virtual.Lab Optimization，可對多體動力學模型進行優化。優化設計變量涵蓋CAD模型設計尺寸參數到CAE模型中的各種力學參數；結合LMS Virtual.Lab Motion和LMS Virtual.Lab Durability可進行系統級疲勞分析，多體仿真得到的載荷數據程序自動匹配并導入疲勞分析模塊中。使用者可直接利用匹配好的載荷數據進行結構的疲勞分析；LMS Virtual.Lab Motion創建的模型可以直接導入到LMS Virtual.Lab NVM中進行機構的振動分析，分析結構進而可作為邊界條件在LM

25、S Virtual.Lab Acoustic中進一步對結構進行噪聲分析。 LMS Virtual.Lab AcousticsLMS Virtual.LabCAD InterfacesLMS Virtual.Lab MotionLMS Virtual.LabFE DriversLMS Virtual.Lab DurabilityLMS Virtual.Lab PowertrainLMS Virtual.Lab多學科仿真平臺 結合LMS Virtual.Lab Motion, LMS Virtual.Lab NVM以及LMS Virtual.Lab Acoustic，可進行發動機從多體到聲學的系統

26、級建模和仿真。所有的數據通過軟件平臺自動轉換，大大節省建模時間?？蓪崿F快速對各種設計進行評估。發動機從多體到聲學系統級仿真流程4.2 發動機專用功能模塊介紹4.2.1 考慮自身質量的螺旋彈簧建模 PDS中提供螺旋彈簧建模單元。通過螺旋彈簧單元創建的模型，可精確捕獲實際工程應用中，特別是在汽車的氣門機構系統，彈簧元件的復雜動力學行為。彈簧的分布質量通過用約束副連接起來的柔性體表征。可以使用任何螺旋軌跡來形成蜂窩狀和錐狀等形狀。高級螺旋彈簧4.2.2 轉速計和燃燒單元 曲柄連桿機構模塊支持多種直列式和V型曲柄連桿機構的建模和仿真。結合使用轉速計和燃燒單元，可使得燃燒負荷的前處理和后處理過程變得簡單

27、易懂。通過轉速計單元可測量當前的曲柄轉角和轉速（RPM）。燃燒單元涉及燃燒壓力面數據。可通過輸入燃燒室氣體壓力數據，將燃燒爆發壓力施加在活塞、缸體和氣門機構上。燃燒單元&轉速計4.2.3 凸輪接觸面定義 在模板中定義氣門機構建模參數，自動創建和裝配氣門機構多體動力學模型。凸輪機構模塊可將已有的閥門運動數據轉換為凸輪輪廓數據。凸輪接觸單元根據凸輪輪廓數據直接生成平滑的接觸面。對凸輪接觸過程進行精確模擬。 凸輪接觸4.2.4 液壓間隙調節裝置 液壓間隙調節裝置是用來避免氣門機構中出現過大間隙和磨損。類似的機制也被用于正時傳動系統，使得皮帶或鏈條維持穩定的張緊力，避免出現不期望的振動。Piston Diameter DWidth h ofannular gapLength L ofannular gapHigh PressureChamberPistonAxisSystemHousingAxisSystem液壓間隙調節裝置(HLA/HVL)4.2.5 彈性液動軸承 彈性液動軸承模塊使得用戶可以分析對中和不對情況下液動流體膜徑向軸承的性能。常見的應該包括發動機曲柄連桿機構中的軸頸軸承，例如：主軸頸、曲柄銷、十字頭銷軸承。在求解過程中，彈性液動軸承模塊求得軸承中高度非線性的油膜壓力分