某柴油機(jī)缸體缸蓋耦合分析

倪成鑫，路明，胡鵬翔

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某柴油機(jī)缸體缸蓋耦合分析

倪成鑫，路明，胡鵬翔

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要載體，對(duì)缸體缸蓋進(jìn)行耦合分析以確定是否滿足設(shè)計(jì)要求是十分必要的。本文在分析過程中利用ABAQUS和AVL Fire軟件完成流固耦合分析，耦合分析包括缸體缸蓋等溫度場(chǎng)分布、強(qiáng)度及高周疲勞安全系數(shù)分析，以及對(duì)缸墊性能及缸孔變形量等分析內(nèi)容。

溫度場(chǎng)；缸孔變形量；強(qiáng)度分析；ABAQUS

前言

中小型高速水冷內(nèi)燃機(jī)的氣缸體與缸蓋通過螺栓安裝成一體，總稱為機(jī)體。機(jī)體是構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，提供了發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件和附件的安裝位置，并為曲柄連桿等機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)件提供運(yùn)動(dòng)空間。

機(jī)體在工作時(shí)，受燃?xì)鈮毫σ约盎钊B桿系統(tǒng)以及其他附件系統(tǒng)的影響，機(jī)體承受拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)力，因此，機(jī)體要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證機(jī)體不變形，保證各配合間隙以及各運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)精度以及各附件的安裝精度，所以對(duì)缸體缸蓋進(jìn)行溫度場(chǎng)分布、強(qiáng)度及高周疲勞安全系數(shù)分析，以及對(duì)缸墊性能及缸孔變形量等分析內(nèi)容就變得尤為重要。

1 計(jì)算機(jī)模型及參數(shù)

在對(duì)某柴油機(jī)進(jìn)行缸體缸蓋耦合分析時(shí)，一般取缸蓋、缸體、墊片、氣門座圈、氣門導(dǎo)管及缸蓋螺栓作為分析模型。由于網(wǎng)格比較復(fù)雜，為保證計(jì)算收斂，需要對(duì)區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行映射處理。使用Hypermesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元類型缸墊采用GK3D12MN，其余采用C3D10M。溫度場(chǎng)分析時(shí)單元類型缸墊采用DC3D15，實(shí)體單元采用DC3D4，面單元選擇DS3，計(jì)算采用ABAQUS求解器。

在發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)計(jì)算情況下，使用冷態(tài)一般可以分析發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的缸孔變形量及發(fā)動(dòng)機(jī)缸墊油水筋及缸口筋的密封性能是否滿足要求，缸墊及缸墊性能曲線如圖2所示。

在計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)熱態(tài)條件時(shí)，針對(duì)2900rpm/全負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行了整個(gè)工作循環(huán)的模擬，分析需要CFD提供工作循環(huán)中近壁面的氣體平均溫度和換熱系數(shù)壁面的氣體平均溫度和換熱系數(shù)，為了較為準(zhǔn)確的FEA熱邊界，如圖3所示調(diào)整了噴霧和燃燒的部分模型參數(shù)。

圖1 有限元分析模型

圖2 缸墊及缸墊性能曲線

根據(jù)上述得到的邊界條件，作為輸入條件，在ABAQUS中建立分析步進(jìn)行分析。分析步先按照裝配條件，建立各個(gè)接觸面的靜態(tài)載荷：接觸關(guān)系（過贏）及加載螺栓預(yù)緊力，然后分別加載各缸最大爆發(fā)壓力，在計(jì)算缸體缸蓋熱應(yīng)力時(shí)，還需要考慮在爆發(fā)壓力對(duì)氣門座圈及活塞兩道氣環(huán)的影響。邊界條件設(shè)置時(shí)，為了盡可能不影響分析結(jié)果，取幾個(gè)點(diǎn)作為約束使用，分別固定X、Y、Z方向。分析模型各零部件所用材料屬性，如表1所示。

表1 材料屬性

2 計(jì)算結(jié)果

為確保氣缸墊在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中不產(chǎn)生泄露的情況，需要保證缸墊的油水筋及缸口筋在合理的壓力范圍內(nèi)，且不發(fā)生分離的情況。在最小的螺栓預(yù)緊力的情況下，缸口筋大于45MPa，油水筋大于10MPa，均能滿足要求。

表2 各缸缸孔變形量

傅里葉變換后，缸孔變形四階標(biāo)準(zhǔn)為11.46微米，各缸四階最大變形量分別為1#10.1微米，2#13.9微米，3#16.3微米，4#10.5微米，缸孔變形六階標(biāo)準(zhǔn)為3.82微米，1#2.7微米，2#4.4微米，3#5.7微米，4#3.1微米。除了2、3缸四六階缸孔變形量超出要求，其余幾缸均可以滿足要求。活塞環(huán)距離缸體10mm，取活塞形成下的缸孔最大變形量，2、3缸除六階外均可以滿足要求，如表2所示。

通過輸入流體溫度及傳熱系數(shù)，在ABAQUS中進(jìn)行計(jì)算可以得出各零部件的溫度場(chǎng)。缸體最大溫度為216℃出現(xiàn)各缸孔之間，缸蓋最高溫度350~380℃出現(xiàn)在鼻梁區(qū)及靠近排氣門附近位置，各缸溫度均勻，回油道最高溫度200℃小于機(jī)油炭化溫度，溫度未出現(xiàn)明顯異常。進(jìn)氣門燃燒室側(cè)溫度300~540℃，排氣門燃燒室側(cè)溫度500~670℃。各零部件溫度均未超出材料限值，可以滿足要求，如圖3所示。

圖3 各零部件溫度場(chǎng)云圖

通過提取上述溫度場(chǎng)，對(duì)缸體缸蓋的熱應(yīng)力計(jì)算，確保應(yīng)力水平可以滿足材料限值要求。提取應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行高周疲勞計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在缸蓋水套根部圓角區(qū)域疲勞安全系數(shù)只有0.785，不能滿足1.1最小疲勞安全系數(shù)的要求。為此，通過加大水套根部處的圓角大小，有效的降低了缸蓋水套處應(yīng)力集中的情況。從而，將最小疲勞安全系數(shù)提高到1.2，以滿足要求。變更前后的缸蓋疲勞安全系數(shù)，如圖4所示。

圖4 缸蓋安全系數(shù)云圖

3 結(jié)論

通過文章分析可知，不會(huì)發(fā)生沖缸墊的現(xiàn)象。缸孔變形量在6階下，在2、3缸存在超標(biāo)的情況，需要發(fā)動(dòng)機(jī)后期進(jìn)行機(jī)油耗試驗(yàn)以確定是否滿足要求。各零部件的溫度都在材料要求限值之內(nèi)，缸蓋油道溫度在要求范圍之內(nèi)，不會(huì)因?yàn)檫^熱而對(duì)機(jī)油造成碳化等影響。缸蓋水套側(cè)泡核沸騰裕度在要求范圍之內(nèi)，確保缸蓋換熱良好，不會(huì)在危險(xiǎn)區(qū)域產(chǎn)生局部開鍋。通過優(yōu)化缸蓋水套根部圓角區(qū)域可以提升缸蓋疲勞安全系數(shù)，從而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求。

[1] 路明,朱凌云.基于Abaqus的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋耦合仿真分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2013.

[2] 楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1981.

[3] 楊萬里,許敏.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋耦合熱應(yīng)力分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2007.

The Cylinder Head Coupling FE Analysis Of A Diesel Engine

Ni Chengxin, Lu Ming, Hu Pengxiang

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601）

As an important carrier of engine, it is necessary to analyze the coupling of cylinder head to determine whether it meets the design requirements. Analysis in the process of using ABAQUS and AVL software Fire to complete fluid-structure coupling analysis, generally including cylinder block cylinder head temperature field distribution of coupling analysis, strength and high cycle fatigue safety coefficient analysis, as well as to the cylinder gasket performance and cylinder hole deformation analysis.

The temperature field; Bore deformation; Strength analysis; ABAQUS

U262.11

B

1671-7988(2018)24-86-02

倪成鑫（1986-）男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究院，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)方向。

U262.11

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1671-7988(2018)24-86-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.029