AUV发动机的ADAMS_MATLAB联合仿真研究
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1 双曲面凸轮式活塞发动机
双曲面凸轮式活塞发动机具有内部结构紧凑、体积小、 功率大、效率高、工况调节简单等特点，非常适用于 AUV 速制多变及航深变化范围大的工作要求。如图 1，该型发动 机为 5 缸发动机，功率传动机构为圆柱凸轮结构，发动机 作同心双轴反向旋转输出。该型发动机将连杆机构替换为 双曲面圆柱凸轮机构，无配气凸轮轴，大幅简化了结构； 各气缸围绕功率输出轴轴线在圆周上均布，中心线均与功 率输出轴轴线平行，高温高压工质在发动机前端引入配气 阀，在气缸中进行热功转换，并推动活塞部件做功；通过 圆柱凸轮和活塞滚轮的相互挤压作用将往复平动转变成 内、外轴的旋转运动并输出功率。
Co-simulation of Engine for AUV in ADAMS and MATLAB
LI Bin-mao1, QIAN Zhi-bo1, CHENG Hong-jie1,2, LIU Zhao-hui3
(1. College of Marine, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China; 2. The Second Artillery Engineering College, Xi’an, 710025, China; 3. Qingdao Branch, Naval Aeronautical Engineering Academy, Qingdao 266041, China)
双曲面圆柱凸轮结构特殊(如图 2)，凸轮各有两个向前
• 1668 •
第 22 卷第 7 期 2010 年 7 月
李斌茂, 等：AUV 发动机的 ADAMS/MATLAB 联合仿真研究
Vol. 22 No. 7 Jul., 2010
1-旋转配气阀；2-气缸体；3-气缸套；4-活塞；5-导向缸套；6-凸轮； 7-后壳体；8-单向阀；9-内轴；10-外轴；11-动压吸油器；12-长螺钉； 13-筒形外壳；14-压紧螺母；15-压紧螺栓；16-辅机传动齿轮
衡，而且圆柱凸轮机构的设计、加工制造较为容易。
对双曲面圆柱凸轮表面采用解析法得到凸轮工作面与
前(大)、后(小)滚轮间的空间接触线参数方程分别如式(4)和
式(5)所示：
⎧ ⎪x ⎪
=
S 2
(1 −
cos mωt )
−
⎪
rf
z
' f
(
z
' f
)2
+
( mS
sin
mω t ) 2
2
⎪ ⎪y = ⎨ ⎪ ⎪
第 22 卷第 7 期 2010 年 7 月
系统仿真学报
Vol. 22 No. 7 Jul., 2010
在UG中通过零件－部件－组件的建模方式、到各零部 件的初始位置的虚拟装配（可减少ADAMS中约束施加的工 作量）及“间隙检查”，得到发动机三维模型如图3（发动机 实体透明化了筒形外壳和外轴部件）。
矢和主矩组成了平衡力系，于是得到单个活塞部件的滚轮与
凸轮之间的轴向作用力和切向作用力分别为式(6)和式(7)。
Kx = Pg − J x
(6)
S
K y = K x sin 2ωt
(7)
R
式中 Pg ， Jx ， R 分别是缸内气体压力，单个活塞部件往复
惯性力，气缸分布圆半径。且有 Jx = 2Mgω2S cos 2ωt （ Mg 为
Abstract: The dynamic simulation of hyperbolical- cylindrical cam piston engine for AUV was performed in ADAMS and Matlab based on co-simulation. First, the structure and principle of the engine was anatomized detailed. Second, a virtual prototype model of the engine was created by using ADAMS and UG. Third, the control model was built by ADAMS/ view, MATLAB/ Simulink and MATLAB. Fourth, the co-simulation model was established based on ADAMS/Control and Matlab/Simulink, which was consistent with the experimental data. The motion curves, forces, the influence of motion and forces which was brought by the clearance between key components were all provided through kinematics and dynamic co-simulation analysis, and the upper limit of clearance was also pointed out. The simulation results show that the method is practicality and benefits to reduce development cost of the engine, thus, a modern way for the design, improvement and optimization of AUV engine system has also been provided. Key words: co-simulation; AUV; hyperbolical-cylindrical cam mechanism; virtual prototype; ADAMS; MATLAB
圆柱凸轮特别是前、后两个工作面的创建是发动机三维 实体模型建立的关键，对后续的仿真计算精度有直接影响。 在 UG 中根据式(4)和式(5)，由接触线通过相关命令分别得 到凸轮前、后工作面，再创建其余的细节，就可得到满足要 求的圆柱凸轮三维模型。
图3 圆柱凸轮、发动机装配及整机拓扑结构图
• 1669 •
S
s = (1 − cos 2ϕ )
(1)
2Hale Waihona Puke υ = Sω sin 2ϕ
(2)
a = 2Sω 2 cos 2ϕ
(3)
式中 S ， ω ， ϕ 分别是活塞的行程，发动机内、外轴相对
角速度，发动机内、外轴相对转角。在该运动规律下，圆柱
凸轮机构不仅能满足发动机作周期性热功转换的要求，不会
在机构中产生刚性冲击和柔性冲击，容易实现发动机自平
2
+ zb'' cos ωt
式中 S ， rb ，l ，m分别是活塞行程，后滚轮外圆半径，前、
后滚轮轴的轴线间距离，凸轮的峰数。
作用于活塞部件的外力有气体力、凸轮反作用力、缸体
反作用、自身重力及气缸套、导向缸套、圆柱凸轮对其作用
的摩擦力。由于重力和摩擦力较其他外力小得多，故为简化
分析而忽略不计，由达郎伯原理可知，各外力与其惯性力主
摘 要：通过对自主式水下航行器(AUV)双曲面凸轮式活塞发动机的剖析，基于 ADAMS 和 UG 得 到发动机虚拟样机模型，基于 MATLAB 及 Simulink 工具箱建立了发动机的控制模型，基于 ADAMS/ Control 模块与 Matlab/Simulink 接口得到联合仿真模型，使用发动机实车相关数据验证了模型的准 确性。通过联合仿真得到发动机关键部件的运动曲线、受力情况和关键部件之间的间隙对运动与受 力的影响，并指出了间隙上限。仿真结果表明该方法可行、有效、实用，为水下航行器发动机的设 计和优化提供了理论依据和一种现代化方法。 关键词：联合仿真；自主式水下航行器；双曲面圆柱凸轮机构；虚拟样机；ADAMS；MATLAB 中图分类号：TH122; TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2010) 07-1668-06
发动机工作状态与 ADAMS 中施加在虚拟样机模型上 的驱动和载荷有密切关系，但是 ADAMS 自身的控制功能无
收稿日期：2008-11-27
修回日期：2009-01-08
作者简介：李斌茂(1979-)，男，山西人，博士生，研究方向为现代设计
理论与 CAD/CAM/CAE；钱志博(1945-)，男，陕西人，教授，博导，研
单个活塞部件质量）。
2 ADAMS 与 MATLAB 联合仿真模型建立
本文利用 UG 和 ADAMS 建立发动机虚拟样机模型，由 MATLAB、ADAMS/Control 及 MATLAB/Simulink 籍由相 关接口将虚拟样机与控制计算程序相结合，得到可供联合仿 真使用的模型。
2.1 三维模型建立
第 22 卷第 7 期 2010 年 7 月
系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation
Vol. 22 No. 7 Jul., 2010
AUV发动机的ADAMS/MATLAB联合仿真研究
李斌茂 1，钱志博 1，程洪杰 1,2，刘朝晖 3
（1.西北工业大学 航海学院，西安 710072；2.第二炮兵工程学院，西安 710025；3.海军航空工程大学 青岛分院, 青岛 266041）
引言
发动机是自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，简称 AUV）热动力系统的重要组成部分，其性能 优劣直接影响 AUV 各项工作性能指标的高低。对其运动学 和动力学进行研究，可使设计及优化更具针对性和效率，从 而有效提高发动机性能，降低开发成本和周期。
以往多采取理论计算来研究 AUV 发动机的运动学和动 力学，该方法常采用简化近似处理，很难或无法计算系统的 复杂非线性环节，仿真结果不甚理想。近年来，随着虚拟样 机技术的兴起，基于 ADAMS 软件，通过建立实体模型、定 义各种约束与力、选择适宜的求解器，获得系统动力学方程 对发动机进行静力学、运动学及动力学分析，能取得更理想 的分析结果[1,2]。
双曲面凸轮式活塞发动机具有内部结构紧凑、体积小、 功率大、效率高、工况调节简单等特点，非常适用于 AUV 速制多变及航深变化范围大的工作要求。如图 1，该型发动 机为 5 缸发动机，功率传动机构为圆柱凸轮结构，发动机 作同心双轴反向旋转输出。该型发动机将连杆机构替换为 双曲面圆柱凸轮机构，无配气凸轮轴，大幅简化了结构； 各气缸围绕功率输出轴轴线在圆周上均布，中心线均与功 率输出轴轴线平行，高温高压工质在发动机前端引入配气 阀，在气缸中进行热功转换，并推动活塞部件做功；通过 圆柱凸轮和活塞滚轮的相互挤压作用将往复平动转变成 内、外轴的旋转运动并输出功率。
Co-simulation of Engine for AUV in ADAMS and MATLAB
LI Bin-mao1, QIAN Zhi-bo1, CHENG Hong-jie1,2, LIU Zhao-hui3
(1. College of Marine, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China; 2. The Second Artillery Engineering College, Xi’an, 710025, China; 3. Qingdao Branch, Naval Aeronautical Engineering Academy, Qingdao 266041, China)
双曲面圆柱凸轮结构特殊(如图 2)，凸轮各有两个向前
• 1668 •
第 22 卷第 7 期 2010 年 7 月
李斌茂, 等：AUV 发动机的 ADAMS/MATLAB 联合仿真研究
Vol. 22 No. 7 Jul., 2010
1-旋转配气阀；2-气缸体；3-气缸套；4-活塞；5-导向缸套；6-凸轮； 7-后壳体；8-单向阀；9-内轴；10-外轴；11-动压吸油器；12-长螺钉； 13-筒形外壳；14-压紧螺母；15-压紧螺栓；16-辅机传动齿轮
衡，而且圆柱凸轮机构的设计、加工制造较为容易。
对双曲面圆柱凸轮表面采用解析法得到凸轮工作面与
前(大)、后(小)滚轮间的空间接触线参数方程分别如式(4)和
式(5)所示：
⎧ ⎪x ⎪
=
S 2
(1 −
cos mωt )
−
⎪
rf
z
' f
(
z
' f
)2
+
( mS
sin
mω t ) 2
2
⎪ ⎪y = ⎨ ⎪ ⎪
第 22 卷第 7 期 2010 年 7 月
系统仿真学报
Vol. 22 No. 7 Jul., 2010
在UG中通过零件－部件－组件的建模方式、到各零部 件的初始位置的虚拟装配（可减少ADAMS中约束施加的工 作量）及“间隙检查”，得到发动机三维模型如图3（发动机 实体透明化了筒形外壳和外轴部件）。
矢和主矩组成了平衡力系，于是得到单个活塞部件的滚轮与
凸轮之间的轴向作用力和切向作用力分别为式(6)和式(7)。
Kx = Pg − J x
(6)
S
K y = K x sin 2ωt
(7)
R
式中 Pg ， Jx ， R 分别是缸内气体压力，单个活塞部件往复
惯性力，气缸分布圆半径。且有 Jx = 2Mgω2S cos 2ωt （ Mg 为
Abstract: The dynamic simulation of hyperbolical- cylindrical cam piston engine for AUV was performed in ADAMS and Matlab based on co-simulation. First, the structure and principle of the engine was anatomized detailed. Second, a virtual prototype model of the engine was created by using ADAMS and UG. Third, the control model was built by ADAMS/ view, MATLAB/ Simulink and MATLAB. Fourth, the co-simulation model was established based on ADAMS/Control and Matlab/Simulink, which was consistent with the experimental data. The motion curves, forces, the influence of motion and forces which was brought by the clearance between key components were all provided through kinematics and dynamic co-simulation analysis, and the upper limit of clearance was also pointed out. The simulation results show that the method is practicality and benefits to reduce development cost of the engine, thus, a modern way for the design, improvement and optimization of AUV engine system has also been provided. Key words: co-simulation; AUV; hyperbolical-cylindrical cam mechanism; virtual prototype; ADAMS; MATLAB
圆柱凸轮特别是前、后两个工作面的创建是发动机三维 实体模型建立的关键，对后续的仿真计算精度有直接影响。 在 UG 中根据式(4)和式(5)，由接触线通过相关命令分别得 到凸轮前、后工作面，再创建其余的细节，就可得到满足要 求的圆柱凸轮三维模型。
图3 圆柱凸轮、发动机装配及整机拓扑结构图
• 1669 •
S
s = (1 − cos 2ϕ )
(1)
2Hale Waihona Puke υ = Sω sin 2ϕ
(2)
a = 2Sω 2 cos 2ϕ
(3)
式中 S ， ω ， ϕ 分别是活塞的行程，发动机内、外轴相对
角速度，发动机内、外轴相对转角。在该运动规律下，圆柱
凸轮机构不仅能满足发动机作周期性热功转换的要求，不会
在机构中产生刚性冲击和柔性冲击，容易实现发动机自平
2
+ zb'' cos ωt
式中 S ， rb ，l ，m分别是活塞行程，后滚轮外圆半径，前、
后滚轮轴的轴线间距离，凸轮的峰数。
作用于活塞部件的外力有气体力、凸轮反作用力、缸体
反作用、自身重力及气缸套、导向缸套、圆柱凸轮对其作用
的摩擦力。由于重力和摩擦力较其他外力小得多，故为简化
分析而忽略不计，由达郎伯原理可知，各外力与其惯性力主
摘 要：通过对自主式水下航行器(AUV)双曲面凸轮式活塞发动机的剖析，基于 ADAMS 和 UG 得 到发动机虚拟样机模型，基于 MATLAB 及 Simulink 工具箱建立了发动机的控制模型，基于 ADAMS/ Control 模块与 Matlab/Simulink 接口得到联合仿真模型，使用发动机实车相关数据验证了模型的准 确性。通过联合仿真得到发动机关键部件的运动曲线、受力情况和关键部件之间的间隙对运动与受 力的影响，并指出了间隙上限。仿真结果表明该方法可行、有效、实用，为水下航行器发动机的设 计和优化提供了理论依据和一种现代化方法。 关键词：联合仿真；自主式水下航行器；双曲面圆柱凸轮机构；虚拟样机；ADAMS；MATLAB 中图分类号：TH122; TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2010) 07-1668-06
发动机工作状态与 ADAMS 中施加在虚拟样机模型上 的驱动和载荷有密切关系，但是 ADAMS 自身的控制功能无
收稿日期：2008-11-27
修回日期：2009-01-08
作者简介：李斌茂(1979-)，男，山西人，博士生，研究方向为现代设计
理论与 CAD/CAM/CAE；钱志博(1945-)，男，陕西人，教授，博导，研
单个活塞部件质量）。
2 ADAMS 与 MATLAB 联合仿真模型建立
本文利用 UG 和 ADAMS 建立发动机虚拟样机模型，由 MATLAB、ADAMS/Control 及 MATLAB/Simulink 籍由相 关接口将虚拟样机与控制计算程序相结合，得到可供联合仿 真使用的模型。
2.1 三维模型建立
第 22 卷第 7 期 2010 年 7 月
系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation
Vol. 22 No. 7 Jul., 2010
AUV发动机的ADAMS/MATLAB联合仿真研究
李斌茂 1，钱志博 1，程洪杰 1,2，刘朝晖 3
（1.西北工业大学 航海学院，西安 710072；2.第二炮兵工程学院，西安 710025；3.海军航空工程大学 青岛分院, 青岛 266041）
引言
发动机是自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，简称 AUV）热动力系统的重要组成部分，其性能 优劣直接影响 AUV 各项工作性能指标的高低。对其运动学 和动力学进行研究，可使设计及优化更具针对性和效率，从 而有效提高发动机性能，降低开发成本和周期。
以往多采取理论计算来研究 AUV 发动机的运动学和动 力学，该方法常采用简化近似处理，很难或无法计算系统的 复杂非线性环节，仿真结果不甚理想。近年来，随着虚拟样 机技术的兴起，基于 ADAMS 软件，通过建立实体模型、定 义各种约束与力、选择适宜的求解器，获得系统动力学方程 对发动机进行静力学、运动学及动力学分析，能取得更理想 的分析结果[1,2]。
