基于ADAMS和MATLAB的发动机联合仿真实例研究

摘要：本文以塞斯纳172s发动机为研究对象，通过ADAMS和MATLAB联合仿真技术，实现了发动机运动学与动力学的仿真分析。首先在SolidWorks中简化发动机模型并导入ADAMS，完成约束、驱动、接触力等设置；随后通过Adams Controls插件建立与MATLAB的通信，利用Simulink进行联合仿真。仿真结果表明，活塞位移、速度及气门位移等输出数据与理论预期一致，验证了联合仿真方法的可行性与准确性。本研究为发动机性能分析与优化提供了一种高效的技术手段。

关键词：ADAMS；MATLAB；联合仿真；发动机；运动学分析

引言

发动机作为飞行器的核心部件，其性能直接影响飞行安全与效率。传统的发动机性能分析多依赖物理试验，成本高且周期长。随着计算机技术的发展，多体动力学仿真软件ADAMS与控制分析工具MATLAB的联合应用，为发动机动态特性研究提供了新思路。ADAMS擅长多体系统动力学建模，而MATLAB在控制算法设计与数据处理方面具有优势。本文通过塞斯纳172s发动机的联合仿真实例，探讨两者协同工作的技术路径，为发动机设计优化提供参考。

1. 发动机模型建立与ADAMS环境设置

在SolidWorks中构建发动机三维模型，保留曲轴、连杆、活塞和气门等运动部件，以Parasolid格式导入ADAMS，所建立模型如图1.1所示。

简化后的模型显著提高了仿真效率，同时为保证了运动学分析的准确性，建立发动机主要部件运动学模型，如式（1）所示。

式中，为发动机活塞行程；为曲轴半径；为连杆长度；为输入转角；为连杆与Y轴之间的夹角。

为模拟真实工况，设置重力环境，随后添加以下约束：活塞直线往复运动约束、曲轴旋转约束、气门摆动约束。同时针对ADAMS的“死点”问题，将曲轴和凸轮轴设为主动件，添加旋转驱动，并在关键运动副处添加接触力，曲轴与连杆间共4个接触力，如图1.1所示。并在气门推杆与气门间设置弹簧力以模拟复位功能。

2. MATLAB联合仿真和结果

随后通过Adams Controls插件定义输入（曲轴与凸轮轴转速）和输出（活塞位移、速度及气门位移）单元。在MATLAB中运行导出文件，生成Simulink模型并搭建控制模块，控制模块选用PID控制系统，具体控制规律为：

相应的传递函数为：

式中，为比例系数，为积分常数，为微分常数。

在控制系统选择完成后，在Simulink模块搭建PID控制系统，并将其与上文所建立的Adams仿真模型连接，实现发动机运动速度控制，如图2.1所示。

之后设置运行时间10秒，步长0.001。在运行完成后，点击预设的四个输出scope，得到输出结果，具体运动数据如图2.2、2.3所示。如图所示，活塞位移呈周期性变化，符合往复运动规律；气门位移曲线与理论设计一致，验证了弹簧力与外力的合理性。ADAMS与MATLAB的数据对比表明，联合仿真结果具有高度一致性。

结论

1. 通过ADAMS与MATLAB的联合仿真，成功实现了塞斯纳172s发动机的动态特性分析，仿真数据可靠。

2. 简化模型与合理的力学设置有效提升了仿真效率，为复杂机械系统的联合仿真提供了技术范例。

3. 该方法可扩展至其他动力机械的性能优化与故障诊断研究。

参考文献

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作者简介： 刘瀚儒（2001-）男，汉族，河北廊坊，研究生，西华大学，研究方向：高精度仿真