基于ABAQUS的飛輪殼面壓計算及密封膠選擇

錢多德，王昊鵬，曹文霞

（1.安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽合肥 230601;2.天津內燃機研究所，天津 300072;3.安徽水利水電職業技術學院機械工程系，安徽合肥 231603）

0 前言

發動機后端齒輪室與飛輪殼接觸面大，是密封設計中需要重點關注的區域。而密封膠作為一種使用靈活的密封手段，具有鎖緊防松、密封防漏、固持定位的特點，在內燃機行業中被大量使用，且不同類型密封膠的使用條件各不相同;因而需要在發動機各個結構得到確定的條件下，確定密封膠的具體選擇。隨著計算機數值分析技術的發展，采用一定的模擬技術對工程選擇做出理論支撐具有十分明顯的意義。

1 組件連接的力學模型

文中涉及到的螺栓連接主要有兩種形式，如圖1所示，圖（a）、（b）兩圖中螺紋孔均位于最下層底板，其余通孔不具有螺紋，螺栓打緊后，使待密封面形成配合。螺栓通過扭矩 （T）控制法擰緊，在CAE模擬中需用公式

將扭矩載荷轉化為力 （F）載荷。

在公式 （1）中，K為扭矩系數，計算公式為:

式中:p為螺紋螺距;μ為綜合摩擦因數;d2為螺紋中徑;De為支承面有效外徑;Di為支承面的內徑［1－2］。

2 常用密封膠的使用特點

密封膠是機械產品的一種新型密封材料，亦稱液態墊片，填充再結合部分，阻止液體的泄漏，具有密封、填塞、襯墊的作用，儲存狀態為液態及膏狀。在發動機裝配過程中，常用的密封膠有厭氧膠和有機硅膠，二者適用于不同工作條件。

（1）厭氧膠。從定義上講，厭氧膠黏劑在氧氣存在的條件下保持液體狀態，在隔絕氧氣并有金屬離子如鐵離子或銅離子存在的條件下發生固化反應。不需稱量、混合、配膠，使用極其方便，容易實現自動化作業。

（2）硅膠。相比于厭氧膠，有機硅膠的固化條件對于空氣及濕度的要求則沒有那么苛刻，只需在涂抹后放置一段時間，便可固化成型［3－4］。

3 ABAQUS/Standard接觸理論

在ABAQUS接觸模擬中，通過將接觸面的名字賦予一個接觸的相互作用來定義兩個表面之間可能發生的接觸，并賦予一種接觸屬性。ABAQUS/Standard使用單純主—從接觸算法:一個表面 （從屬面）上的節點不能侵入另一個表面 （主控面）的某一部分，并在兩面間產生間隙。該算法并沒有對主面做任何限制，它可以在從面的節點之間侵入從面，如圖2所示?；谶@種嚴格的主從關系，必須根據如下原則選擇主面和從面:（1）從面應該是網格劃分更精細的表面;（2）如果網格密度相近，從面應該取自采用較軟材料的表面。此外，針對兩平面的相對滑動，根據量級分為小滑動和有限滑動，如果兩個表面之間的相對運動小于一個單元面上特征長度的一個小的比值（如20%），那么小滑動是合適的。在許可的條件下使用小滑動公式可以提高分析的效率［5－6］。

4 有限元模型及結果分析

在建立組件接觸有限元模型時，對其受力狀況做一定的假設和簡化，是在保證研究對象的基本特征和受力狀態盡量真實的前提下進行的。

對有限元模型的假設和簡化包括:

（1）氣缸與機體之間的缸墊予以省略，代之以一定的裝配間隙，即二者間無接觸。

（2）為減少不必要的運算分析，在對模型影響很小的情況下，將實際結構中存在于缸蓋與齒輪室間的密封膠層省略，缸蓋與齒輪室間無接觸。

（3）為方便劃分網格，同時為確保運算分析收斂，將半缸機體、半缸下箱體、半缸蓋、飛輪殼中的水套、油道、加強筋等結構予以填充、去除。

（4）建模過程中，不再對螺紋進行精確建模，包括螺紋孔及各型螺栓等處螺紋。

4.1 建立三維模型

取發動機飛輪端的半缸蓋、半缸機體、半缸下箱體、齒輪室、飛輪殼及各型螺栓構成組件，并將組件各部分按前述原則簡化，如圖3所示，各部分均在三維軟件Pro/E中建立，并導出為.igs格式，再將其導入Hypermesh中劃分網格，生成.inp文件，最后導入ABAQUS軟件。

4.2 統一網格裝配坐標系

為保證模型組件能在各步軟件處理中保持正確的裝配關系，此次計算分析采用了基于幾何面約束求解全局坐標系的裝配定位方法，其基本思想是根據現有三維模型建立部件幾何面之間的裝配關系，以統一坐標系為媒介，在CAE環境下對部件幾何面進行參數表達，從而識別每個幾何面的目前位置和方向，并可以在各步所用軟件中被繼承下來，從而保證了分析過程中裝配關系的準確、無誤［7－8］。

4.3 劃分網格

分別劃分各零件的3D網格，網格劃分過程要遵循如下幾個原則:

（1）合法性。一個單元的節點不能落入其他單元內部，在單元邊界上的節點均應為單元的節點，不可丟失。

（2）相容性。單元必須落在待分區域內部，不能落入外部，且單元并集等于待分區域。

（3）協調性。單元上的力和力矩能夠通過節點傳遞給相鄰單元。因此，要保證一個單元的節點必須同時也是相鄰單元的節點，而不應是內點或邊界點;相鄰單元的共有節點具有相同的自由度性質，即自由度必須匹配。

（4）逼近精確性。待分區域的頂點 （包括特殊點）必須是單元的節點，待分區域的邊界 （包括特殊邊及面）被單元邊界所逼近。

（5）良好的單元形狀。單元最佳形狀是正多邊形或正多面體。

（6）良好的劃分過渡性。單元之間過渡相對平穩，否則將影響計算結果的準確性甚至使有限元計算無法進行下去。

（7）網格劃分的自適應性。在待研究接觸面、幾何尖角處、應力、面壓力等變化大的地方網格應密，其他部位應較稀疏，這樣可以保證計算結果精確可靠。

（8）一致性。對于相連的兩個二次單元，單元角點只能與單元角點連接，而不能與相鄰單元的中間節點相連;相鄰單元的公共邊應具有相同的節點數。

此外，為保證計算精度，接觸面網格細化為2 mm，保證節點對應，圖3中幾何體采用C3D4單元 （4節點四面體線性完全積分單元），共計劃分單元995 634個，并利用ABAQUS軟件集成的網格檢測功能，根據計算迭代要求檢查網格質量［9－11］。

4.4 定義材料

各零件材料屬性如表1所示。

表1 零件列表及材料屬性

4.5 定義接觸

在ABAQUS軟件Interaction功能模塊中定義接觸面，組件間各接觸面及支承面與螺栓接觸面賦予τ=0.15的罰函數小滑動摩擦屬性，見圖4。

4.6 定義邊界條件和載荷

根據實際受力情況，用主菜單中的BC→Manger來創建邊界條件，用Load→Manger來施加載荷。為了確保收斂，先定義一個只用10 N螺栓軸向力的分析步，讓接觸關系平穩建立起來;然后在第二個分析步中施加真實載荷，其值由公式 （1）計算，如表2所示，設定細節見圖5、圖6。

表2 各型號螺栓軸向力

4.7 后處理及結果分析

利用Visualization功能模塊進行后處理:顯示待密封面——飛輪殼－齒輪室接觸面的CPRESS面壓力 （圖7）及COPEN兩密封面分離間隙 （圖8）。

在圖7可見:接觸面上分布的大量深色區域接觸面壓小于2 MPa，且在圖8中，對應淺色區域存在的間隙達到8 μm甚至更大。

將現有計算結果與第2節中所列密封膠使用條件進行比對發現:此結構中多處區域的分離間隙較大，極有可能不滿足厭氧膠的使用條件;與之相應的是，硅膠所能接受的密封面最大間隙可達0.6mm，也就是說，硅膠可以對非加工或粗加工表面進行密封。這樣，采用硅膠，一方面可以滿足此結構的密封要求，另一方面又可以降低生產成本，一舉兩得。

4.8 接觸面壓偏小原因分析及改進措施

接觸面壓偏小的原因主要有:

（1）相鄰螺栓間距過大。螺栓打緊后，螺帽擠壓支承面，使飛輪殼產生局部翹曲變形，因此，當相鄰緊固螺栓間距較大時，遠離兩螺栓的中間區域會有接觸面壓不足的情況。

（2）接觸面幾何形狀復雜。飛輪殼局部接觸面的曲率變化較大，形成了一些遠離螺栓的區域，這樣導致作用在接觸面上的壓力不足，從而產生了局部分離。

（3）相鄰接觸面緊固螺栓的影響。齒輪室除與飛輪殼配合外，還同機體、下箱體、缸蓋存在螺栓連接，也會引起齒輪室的局部變形，影響待密封面的接觸。

針對上述原因，相應的改進措施包括:

（1）增加接觸面的剛度，保證接觸面的壓力分布更加均勻，加強筋的設置位置應盡量靠近螺栓處。

（2）螺栓位置分布盡量均勻，在接觸面曲率變化劇烈的位置，將螺栓布置得緊密一些。

（3）適當增大螺栓的上緊力矩。

5 結束語

根據待密封面及其相關組件的裝配關系，建立了有限元分析模型。

（1）計算得到了面壓力及接觸面間隙模擬結果，發現存在多處面壓力偏小的區域，通過比對厭氧膠和硅膠的使用條件，最終得出結論:推薦選用硅膠作為齒輪室－飛輪殼接觸面的密封手段，以期達到在滿足密封條件的前提下節約成本的目的。

（2）通過對該結構的分析得出了增加面壓、減小間隙的設計原則，對密封接觸面的設計具有一定指導意義。

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