局部結構對氣缸蓋關鍵部位應力分布影響的研究*

胡定云　吳　波　魏志明　張全中　馬軍華（中國北方發動機研究所（天津）天津400300）

局部結構對氣缸蓋關鍵部位應力分布影響的研究*

胡定云吳波魏志明張全中馬軍華
（中國北方發動機研究所（天津）天津400300）

氣缸蓋的水腔及氣道的鑄造質量明顯低于外壁，通常是氣缸蓋強度的薄弱部位，其應力主要是由機械負荷造成的。在有限元軟件ANSYS中對局部結構強化前后的水腔及氣道應力分布進行仿真計算。在機械載荷條件下，研究了氣缸蓋頂板加強筋及噴油器安裝座孔局部結構對水腔及氣道應力的影響。局部結構強化使水腔及氣道危險點的應力都降低，水腔應力最高降低39.2%，氣道應力最高降低36.1%。為氣缸蓋的結構優化提供參考依據。

氣缸蓋局部結構應力有限元分析

引言

氣缸蓋、氣缸套及活塞共同組成內燃機的燃燒室。在內燃機工作過程中，氣缸蓋承受很大的機械負荷及熱負荷，是內燃機中工作條件最為惡劣的零部件之一。氣缸蓋的強度可靠性問題一直是內燃機設計中的關鍵課題，而氣缸蓋水腔、進氣道、排氣道的鑄造質量要明顯低于外壁，因此氣缸蓋的水腔、進氣道、排氣道的強度可靠性基本決定了氣缸蓋的可靠性。本文通過有限元法研究了在機械載荷條件下氣缸蓋頂板加強筋及噴油器安裝孔的局部結構對氣缸蓋水腔、進氣道、排氣道應力的影響［1-3］。

1　氣缸蓋結構特點簡介

本文研究的內燃機氣缸蓋是4缸整體式的水冷鑄鋁氣缸蓋，采用4個氣門，其中排氣門和進氣門各2個；每個氣缸周圍布置6根螺栓，其中4根為相鄰缸共用；氣缸蓋頂板以噴油器安裝孔為中心呈放射狀的加強筋，各螺栓座孔之間有加強筋，圖1為氣缸蓋的俯視圖簡圖；氣缸蓋有上下兩層水腔，噴油器安裝孔從頂面連接至底板，圖2為縱剖面簡圖。考察氣缸蓋頂板加強筋、噴油器安裝孔局部結構對氣缸蓋關鍵部位的應力影響，因此對有無加強筋、噴油器安裝孔是否與氣缸蓋地板連接不同氣缸蓋方案的應力進行有限元計算，具體方案見表1［4-5］。

圖1　氣缸蓋俯視圖

圖2　氣缸蓋縱剖面視圖

表1　氣缸蓋的結構方案

2　有限元模型的建立

氣缸蓋應力計算采用一個整缸帶兩個半缸的模型，通過有限元分析軟件ANSYS建了氣缸蓋有限元分析網格模型。有限元網格模型采用四面體二次單元，為了準確地計算氣缸蓋的應力對網格模型進行收斂性分析，對氣缸蓋關鍵部位（水腔、進排氣道等）分別采用5 mm、3 mm、2 mm進行網格劃分并進行爆發工況計算得到不同尺寸網格的計算結果具體見表2，根據計算結果及計算成本最終選擇水腔及氣道采用2 mm的網格單元尺寸確立網格模型，具體網格模型見圖3［6-7］。

表2　不同單元尺寸的應力計算結果

圖3　氣缸蓋有限元分析網格模型

3　氣缸蓋局部結構對水腔應力影響

三種氣缸蓋方案的水腔應力分布基本一致，應力分布如圖4所示。氣缸蓋水腔危險點1、2、3位于緊固螺栓座孔與水腔連接處的過渡圓角，危險點4位于進氣道壁與水腔交接的過渡圓角，危險點5位于排氣道壁與水腔交接的過渡圓角，具體見圖5。預緊工況不同氣缸蓋結構方案水腔危險點應力對比見表3，爆發工況不同氣缸蓋結構方案水腔危險點應力對比見表4。由表3可知，噴油器安裝局部結構強化使氣缸蓋水腔危險點3的應力降低最多，降幅為8 MPa（約11.3%），使水腔危險點應力平均下降6.1%；頂板加強筋使氣缸蓋水腔危險點2位置的應力降低最多，降幅為17MPa（約27.9%），使水腔危險點應力平均下降14.7%。由表4可知，爆發工況下，噴油器安裝局部結構強化使氣缸蓋水腔危險點4的應力降低最多，降幅為29MPa（約39.2%），使水腔危險點應力平均下降11.9%；頂板加強筋使氣缸蓋水腔危險點2位置的應力降低最多，降幅為24 MPa（約23.1%），使水腔危險點應力平均下降16.8%。

4　氣缸蓋局部結構對氣道應力影響

圖4　水腔應力分布

圖5　水腔危險區域位置示意圖

表3　預緊工況下水腔危險點應力計算結果

表4　爆發工況下水腔危險點應力計算結果

三種氣缸蓋方案的氣道應力分布基本一致，應力分布如圖6和圖7所示。危險點1、2、3位于進氣道，危險點4、5、6位于排氣道，具體如圖8所示。預緊工況不同氣缸蓋結構方案氣道危險點應力對比見表5，爆發工況不同氣缸蓋結構方案氣道危險點應力對比見表6。由表5可知，預緊工況下，噴油器安裝局部結構強化使氣缸蓋氣道危險點2的應力降低最多，降幅為6 MPa（約10.5%），使氣道危險點應力平均下降5.9%；頂板加強筋使氣缸蓋氣道危險點4位置的應力降低最多，降幅為7 MPa（約15.6%），使氣道危險點應力平均下降7.6%。由表6可知，爆發工況下，噴油器安裝局部結構強化使氣缸蓋氣道危險點2的應力降低最多，降幅為12 MPa（約14.6%），使氣道危險點應力平均下降9%；頂板加強筋使氣缸蓋氣道危險點6位置的應力降低最多，降幅為30 MPa（約36%），使氣道危險點應力平均下降16.5%。

圖6　進氣道應力分布

圖7　排氣道應力分布

表5　預緊工況下氣道危險點應力結果

圖8　氣道危險區域位置示意圖

表6　爆發工況下氣道危險點應力結果

5　結論

1）噴油器座孔局部結構強化和頂板加強筋都能降低氣缸蓋水腔及氣道關鍵結構的應力，爆發工況降低的幅值大于預緊工況；

2）噴油器座孔局部結構強化和頂板加強筋都能降低氣缸蓋水腔及氣道關鍵結構的應力，頂板加強筋的作用更顯著。

1吳兆漢，汪長民.內燃機設計［M］.北京：北京理工大學出版社，1990

2陳傳淼，黃云清.有限元高精度理論［M］.長沙：湖南科學技術出版社，1995

3胡定云，陳澤忠，溫世杰，等.某柴油機氣缸蓋疲勞可靠性預測［J］.車用發動機，2008（增刊）：38-40

4劉金詳.6114柴油機缸蓋有限元結構分析［J］.內燃機學報，2004，22（4）：367-372

5張儒華，左正興，廖日東，等.氣缸蓋中一些關鍵功能結構的承載機理研究［J］.內燃機學報，2004，22（3），280-287

6馮慧華，左正興，譚建松，等.單元尺寸對內燃機模態計算精度的影響［J］.車用發動機，2002（1）：811

7陸際清，沈祖京，孔憲清，等.汽車發動機設計［M］.北京：清華大學出版社，1993

The Effect of Local Structure on Stress Distribution of Pivotal Part of Cylinder Head

Hu Dingyun，Wu Bo，Wei Zhiming，Zhang Quanzhong，Ma Junhua
China North Engine Research Institute（Tianjin）（Tianjin，400300，China）

The casting quality of water chamber and airway is markedly lower than the outer wall，belongs to the weak position of the cylinder head，the stress is mainly caused by mechanical load.The local structure before and after strengthening to the stress distribution of water chamber and airway was calculated in the finite element software ANSYS.Under mechanical load condition，the effect of local structure on stress distribution of water chamber and airway of cylinder head was studied.Local structure to strengthen the stress of water chamber and airway of the dangerous point is reduced，the stress of water chamber was reduced by 39.2%at most，the stress of airway was reduced by 36.1%at most.This provides reference basis for structure optimization of cylinder head.

Cylinder head，Partial structure，Stress，Finite element analysis

TK413

A

2095-8234（2015）04-0061-04

2015-04-06）

國家863基金項目（2012AA111709）。

胡定云（1982－），男，副研究員，本科，主要研究方向為發動機結構及可靠性研究。