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發(fā)動機的核心運動部件主要包括曲軸、連桿和活塞等，這些零部件組成了典型的機械多體系統，其對發(fā)動機的動力學性能具有重要影響。在發(fā)動機運行過程中，這些零部件受到高溫、高壓和交變載荷的作用，其動力學響應、強度等問題一直是人們關注的問題。體積小、輕量化和高功率密度是現代車用發(fā)動機的發(fā)展趨勢，其活塞連桿和曲軸等運動部件承受越來越高的熱負荷和機械負荷，工作條件越來越苛刻。由曲軸、連桿和活塞等構成的多體系統包含了活塞的直線往復運動，曲軸的定軸轉動和連桿的高速復合運動，加之高壓、摩擦和慣性力與力矩的影響，使這一系統工作中的動力學特性和承受的載荷變化非常復雜，而準確地分析和預測不同工況下的動力學響應和載荷特性是發(fā)動機可靠性設計與結構優(yōu)化的前提。對連桿通常分析5種機械載荷(工況)，即襯套裝配預緊力、軸瓦裝配預緊力、連桿螺栓預緊力、最大拉伸載荷(最大慣性力工況)和最大壓縮載荷(氣體最高燃燒壓力工況)。其中，前3種載荷可以采用有限元分析的接觸算法進行靜力學計算；而后2種載荷本質上是動態(tài)載荷問題，需要首先求解慣性力。曲軸、連桿和活塞構成了典型的柔性多體系統，其特點是系統在宏觀大范圍剛體運動的同時，還發(fā)生微觀小量級的彈性變形。剛柔藕合作用既影響宏觀動力學行為，也影響構件的交變應力，從而引發(fā)疲勞壽命問題。考慮完全剛柔藕合作用的多體系統動力學方程往往較難建立且不易解算。而從工程角度考慮，由于曲軸、連桿和活塞的剛度均較大，因此系統的宏觀剛體運動對構件的彈性變形影響較大，而這也是決定構件強度的重要因素。
本文提出了一種基于“慣性釋放”和“載荷現象疊加”的方法，既實現了系統的多剛體動力學建模與仿真，又可完成任意時刻連桿動態(tài)載荷和應力場的快速計算。多剛體仿真的初始條件和邊界條件為實測的氣缸壓力、負載和真實的幾何模型數據，確保了仿真結果的正確性，得到做功行程內連桿的載徐時間歷程，并進一步分析了慣性載荷對零部件應力場的影響。采用有限元法計算得到了連桿隨時間變化的應力場，同時基于應力場對連桿進行了疲勞壽命預測。
本文以479Q汽油機為例，建立關鍵部件的三維模型，為后續(xù)的多體動力學建模提供幾何模型。
采用有限元軟件對479Q發(fā)動機曲軸、連桿等機構進行三維幾何建模，為了節(jié)省分析時間且不影響分析精度，建模時需要省略一些不重要的環(huán)節(jié)。對連桿螺栓、曲軸等部件根據質量和轉動慣量等效的原則進行了適當的簡化，同時在建模時建立與約束副相對應的定位點，并以格式的文件導出。
多剛體系統基本上將沒有相對運動的零件或部件稱為“體”，認為其具有3個平動和3個轉動自由度，降低了自由度數目。尤其對于做平面運動的剛體，只有2個平動自由度和1個轉動自由度。剛體由其幾何特性參數(剛體的幾何形狀、鉸接點、載荷作用位置、結果的輸出點等)、材料特性參數(材料密度、摩擦系數)和質量特性參數(質量、質心和轉動慣量)等來描述。剛體之間的鉸鏈用來描述各剛體之間的相互連接關系，主要有滑移鉸、轉動鉸、虎克鉸、剛性鉸、球鉸、彈簧阻尼連接等。最終的控制方程基本采用拉格朗日方程或凱恩方程等。
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