汽車發動機缸體輕量化分析

摘 要：文章以汽車發動機缸體為研究對象，從輕量化材料角度出發，對發動機缸體進行建模和網格劃分，并在ANSYS軟件中，對發動機缸體賦予HT250灰鑄鐵材料和6111鋁合金材料，進行靜力學分析和模態分析，通過對比分析，發現使用6111鋁合金材料可以達到輕量化效果。

關鍵詞：發動機缸體 輕量化材料 6111鋁合金

自2020年雙碳戰略目標的提出，各行業要共同努力使二氧化碳的排放量降低，旨在實現我國經濟高質量的發展和促進人類生態環境的改善。對于汽車工業而言，減少整車燃料消耗，減少汽車發動機工作過程中有害氣體的產生，降低空氣中污染顆粒物的濃度，有利于雙碳戰略目標的實現。據研究表明，對于汽車，若它的整體重量每降低10%，則綜合行駛油耗會相應地減少8%-10%，二氧化碳排放量則會降低10%[1]。由此可見，輕量化對于汽車性能的提升及雙碳戰略目標的實現，是一條有效的路徑。

汽車的輕量化是指在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃油消耗，降低排氣污染。汽車若要實現輕量化，可從三方面著手，分別是結構輕量化、工藝輕量化以及材料輕量化[2]。發動機是汽車動力的核心，發動機在氣缸產生的能量通過活塞帶動曲柄連桿機構等傳動裝置從而帶動汽車運動。氣缸也是把燃料化學能轉換為車輛動力的地方，在動力發生設備以及包含動力裝置在內的機器上均能應用。而缸體又是發動機五大部分之一，它通過其他機構和零件聯接成一個整體。它是發動機全部零件安裝的基礎。在現代轎車中，發動機缸體主要用于承載發動機所需重量和承受載荷，并對其進行保護和密封，以保證發動機的正常工作。

本文以汽車發動機缸體為研究目標，從材料輕量化角度入手，選擇HT250灰鑄鐵和6111鋁合金兩種材料，使用CATIA三維繪圖軟件繪制發動機缸體的模型，并導入ANSYS軟件中。在ANSYS軟件中，首先，對發動機缸體材料進行材料屬性選擇，劃分網格，施加約束及載荷，分析這兩種發動機缸體材料的應力、應變情況，然后分別進行模態分析，分析這兩種材料對應的發動機各階固有頻率，并進行相應的模態分析。本著輕量化的目標，在滿足設計要求的前提下，對發動機缸體進行材料輕量化分析。

1 發動機缸體的有限元分析

1.1 發動機缸體模型的建立

1.1.1 發動機缸體模型簡化

本q5256FUqtQsSjtE4woJICw==文對一種四缸發動機的缸體結構進行了研究。在有限元模型的構建中，缸體的結構特征在理論上應該進行詳盡的描述以便更準確地分析，但是因為建模過程過于復雜而產生了計算上的問題，所以需要將缸體模型簡化。通過大量試驗和仿真驗證表明，采用等效單元法可以方便地應用于發動機缸體結構的建模過程中。簡化是以省略一些無關緊要的成分或保留占有主導地位的成分為準則[3]。除其他外，應考慮如下：

（1）忽視某些局部特征。如缸體的小螺栓孔、凸臺和油道等對發動機的作用影響不大。但這種細小的孔洞和在網格劃分中的單元數量非常少，但它會造成模型單位數量的急劇增長，并且在研究中所需要的費用的倍增。

（2）簡化的局部細節。例如缸體部分鑄造而成的大圓角設計可簡化，但在氣缸內增強筋時、凹槽和結合處的圓角設計仍對內部應力分配有重要影響，在建模中仍應予以考慮。

（3）大螺栓孔的加工。忽略了孔狀構造的，原應保留的螺釘孔用圓孔替代，如缸蓋螺栓孔。

在三維軟件CATIA中構建了四缸發動機缸體簡化模型，發動機缸體的長度為460mm，高度為210mm，每個孔的直徑是90mm，如圖1所示。然后將三維實體模型以格式導出。

1.1.2 發動機缸體網格劃分

將類型的發動機缸體模型文件導入ANSYS有限元軟件進行網格劃分，并且進行幾何修復與幾何特征簡化操作，通過幾何清理操作對錯誤及不符合的線面及缺失元素進行修復。為了比較發動機常用的缸體材料HT250和本文選擇的輕量化材料鋁合金，由這兩種材料鑄造的發動機缸體的強度、剛度等，分別對該模型進行靜力學分析與模態分析，然后求解后通過后處理進行分析，兩種材料參數如表1所示。

網格劃分首先要考慮網格尺寸，網格太大造成計算精度不夠，網格太細造成計算資源耗費太大。為此，本文使用了ANSYS軟件智能網格分析，對汽車發動機的缸體模型實行了網格分析。智能網格應用于復雜建模的直接分離，能夠避免在將模型各個部分的網格劃分后再加以組合時可能導致的失配。通過改變網格密度和增加結點數來提高計算效率。在此基礎上進行了同一工況下缸體應力分析。劃分網格的缸體有限元模型如圖2所示。該模型由74144單元和16963節點組成。

2 發動機缸體靜力學分析

本節主要是對HT250灰鑄鐵發動機缸體和6111鋁合金發動機缸體分別進行靜力學分析，為模擬其工作狀態，施加的主要約束是固定氣缸體的底部、施加的主要載荷分別位于1、3氣缸內的內表面。在ANSYS軟件中對氣缸施加約束載荷，得到的發動機缸體約束工況模型，如圖3所示。將上述的有限元模型進行仿真，計算機經過求解之后得到的發動機缸體的靜力分析結果，從ANSYS軟件中的求解結果不容易觀察，因此可以再通過后處理得到相應的應力云圖、應變云圖。

2.1 HT250灰鑄鐵發動機缸體靜力學分析

首先是應力云圖，從圖4中可以看出HT250灰鑄鐵材料模擬的發動機缸體正常工作時，應力集中在1、3氣缸底部。其中最大應力為4.662MPa，而一般金屬材料的最大屈服極限為250MPa，因此可以推斷出HT250灰鑄鐵材料的發動機氣缸完全可以滿足更多工況下對剛度、強度的要求。然后是應變云圖，如圖5所示，其最大應變為，可以忽略不計，因此完全滿足剛度要求，符合設計標準。

2.2 6111鋁合金發動機缸體靜力學分析

首先是應力云圖，從圖6中可以看出6111鋁合金材料模擬的發動機缸體正常工作時，應力集中在1、3氣缸底部。由圖可知，氣缸體的最大應力為3.827MPa，而一般金屬材料的最大屈服極限為276MPa，可以推斷出6111鋁合金材料的發動機氣缸完全可以滿足更多工況下對剛度、強度的要求。然后是應變云圖，從圖7中可以看出最大應變為4.063×10-3mm，可以忽略不計，同樣符合設計標準。

2.3 發動機缸體靜力學分析對比

氣缸向1、3面施加壓力時，在其內部會形成應力分配不均情況，在接近邊界的部分形成了應力聚集現象，這是由于近邊界部的二垂直面交界，表面上生成了變化，引起內部應力突變，從而形成了應力聚集，形成危險點，在實際工作中應加入小圓角設計以減少應力聚集對氣缸的危害。因為缸體1、3內部的受力，導致缸體2、4表層受到擠出而生成的變化，從而導致沿圓心連接方向孔徑變小了。這是由于缸體2、4內表層接受了來自缸體1、3內表層的不平衡的擠壓應力的緣故，模擬結論滿足了現實的物理學過程。

經對比兩種材料在施加同種約束條件、壓力載荷下的情況下，可以看出6111鋁合金所受應力最小，兩種材料其應變均符合剛度要求，可忽略不計。因此可以推斷出若6111鋁合金作為發動機缸體的鑄造材料，要比HT250灰鑄鐵更好。

3 發動機缸體模態分析

模態分析主要是指通過對構件進行的振動特征分析，也就是通過振動特征判斷固有頻率和振型。發動機氣缸流場分布狀況直接影響著發動機的動力特性。氣缸內氣體燃燒的波動性將導致燃油室溫度或發動機氣缸內壓強的波動，這就將形成對發動機氣缸振動的激勵力，而對發動機氣缸的震動則將導致推進劑燃燒產生較大的震蕩，由此就可以使發動機出現工作故障，對發動機氣缸進行模態分析也是對缸體進行優化設計的必要前提。對發動機缸體模態進行分析時，按照邊界要求的差異，分成了獨立模式分析方法和約束模式分析方法。本文中使用了自由模態分析方法，對發動機缸體模態的計算僅僅是前六階，其中展示第一階的模態振型圖，如圖8、9所示。

3.1 HT250灰鑄鐵、6111鋁合金發動機缸體模態分析

結構的振動特性決定了結構對各種載荷不同壓力的反應能力，從各階模態振型圖得知，各階對應的振動頻率值均滿足要求。但由于缸體內進氣、壓縮、燃燒、排氣四種沖程的交替進行，氣缸內產生不穩定氣壓使缸體發生一定程度的震動，圖中紅色顯示震動中最大應變區域，最大應變發生在每個尖點上，紅色部分代表危險點。

發動機缸體的前六階振動頻率值，如表2所示。

一般情況下，大多數路況的路面激振頻率低于25Hz，汽車發動機激振頻率區間為66Hz～83Hz，HT250灰鑄鐵材料和6111系鋁合金材料的一階頻率高于此激振區間，綜上兩種缸體均不會與路面或發動機產生共振，但6111系鋁合金材料下缸體模態振型更高，相對優于HT250灰鑄鐵材料。

4 總結

本論文借助在ANSYS軟件中，通過對發動機缸體模型的HT250灰鑄鐵材料、6111鋁合金材料兩種材料，分別進行靜力學分析和模態分析，得出了6111鋁合金材料作為發動機缸體替代材料的可行性。在CAE分析過程中還發現一些問題，如三維模型太過簡單、進行靜力學分析不夠深入等問題，因此需要進一步改進和完善。

參考文獻：

[1]王立新，袁峰．汽車發動機輕量化解決方案研究[J].中國汽車，2022，360（03）：4-10.

[2]馬圖鳴.汽車輕量化材料及相關技術的研究進展[J].新材料產業，2006（6）：37-42．

[3]倪建華.基于ANSYS的發動機缸體模態分析[J].科技創新與應用，2017（4）：14-15．