气缸盖在联接螺栓采用不同拆装顺序时的有限元结构分析_李恒宾

2011年第2期 青海师范大学学报(自然科学版)Journal of Qinghai No rm al U niversity (Natural Science ) 2011No .2收稿日期:2010-10-20作者简介:李恒宾(1973-),男(汉族),陕西西安人,副教授,研究方向:汽车检测与维修技术.气缸盖在联接螺栓采用不同拆装顺序时的有限元结构分析李恒宾1,费青章2,黄　平1(1.青海交通职业技术学院汽车工程系,青海西宁　810028;2.青海海达汽车检测有限公司,青海西宁　810028)摘　要:利用三维建模软件Solidw ork s 对气缸盖、气缸体和联接螺栓进行了三维实体建模,利用ANS YS W orkbench 有限元分析软件对模型进行了网格划分,确定了有限元分析模型的边界条件.计算分析了气缸盖联接螺栓采用不同的拆装顺序时,气缸盖的应力分布和变形情况.通过结果比对,得到了联接螺栓合理的拆装顺序,对发动机维修质量的保证有一定的参考价值和指导意义.关键词:气缸盖;有限元;预紧力;接触中图分类号:TK412 文献标识码:A 文章编号:1001-7542(2011)02-0075-05气缸盖作为汽车发动机的重要零部件,其结构复杂,同时要承受很大的机械负荷和热负荷,在使用和维修中很容易出现变形,导致发动机出现漏气、漏水、漏油、甚至燃气冲坏气缸垫的现象[1].实践表明,气缸盖联接螺栓采用不同的拆装顺序对气缸盖的变形和应力分布有较明显的影响.螺栓联接属于典型的边界条件非线性接触问题,它的求解是一个反复迭代的过程,用传统的数学计算方法很难进行计算分析.同时,接触问题要考虑摩擦,使计算的收敛性变得困难.随着计算机技术的不断发展,有限元分析已经成为解决复杂工程问题的重要手段.它在可行性论证、工程设计和结构优化等方面发挥着重要作用,并广泛应用于非线性接触问题的计算和分析.1　有限元模型的建立1.1　三维实体模型的建立对结构进行有限元分析,计算模型的建立是十分重要的.因为计算模型建立的是否合理,对计算的速度、分析收敛及计算结果的可信度影响很大[2].为了保证气缸盖计算分析的准确性,在建立模型时,对其主要结构尺寸不作简化,复杂的水腔和气道均根据实际情况精确建模,以保证计算结果的准确有效.气缸盖三维模型如图1所示,进气道剖面如图2所示.图1　气缸盖三维模型图Fig .1　M odel of the cylin der head图2　进气道剖面图Fig .2　Sectional d raw ing of inlet 气缸体和联接螺栓不是本文研究的重点部件,在保证计算精度和准确性的前提下,对特征做了适当简化处理,建立了气缸体和联接螺栓的三维模型.DOI :10.16229/j .cn ki .issn 1001-7542.2011.02.015青海师范大学学报(自然科学版)2011年1.2　有限元模型的转换和网格划分通过三维建模软件Solidw o rks和有限元分析软件ANSYS Wo rkbench之间的无缝结合性能,将三维实体模型转换为有限元模型.在确定网格数量时应权衡计算结果的精度和计算规模的大小,对装配体网格的划分共生成95704个节点和48814个单元.2　有限元边界条件的确定2.1　发动机的主要参数气缸盖的材料采用铸造铝合金,气缸体的材料采用灰铸铁,联接螺栓的材料采用合金调质钢.详细物理性能如表1所示.表1　装配体材料物理性能表T ab.1　Phy sica l perfo rmance statement of assembly materials区域材料弹性模量Gpa泊松比密度Kg/m3气缸盖铸造铝合金750.332700气缸体灰铸铁1300.257210联接螺栓合金调质钢2060.3078002.2　接触边界条件的确定(1)接触对识别①气缸盖和气缸体接触面接触类型定义为摩擦接触Frictio nal,设定摩擦系数为0.2;②螺栓螺纹部分与气缸体接触类型定义为绑定接触Bo nded;③螺栓头部紧固面与气缸盖接触面接触类型定义为摩擦接触Frictio nal.(2)接触算法的确定在接触算法的选取上采用了增强的拉格朗日乘子法,它克服了罚函数和拉格朗日乘子法的不足,又保留它们的优点[3,4],大大降低了对罚值选取的要求,计算结果容易收敛.2.3　位移边界条件的确定由于气缸盖的形状是不对称的结构,为了精确、全面模拟气缸盖的变形和应力情况,在分析中,取整个气缸盖作为研究对象.气缸盖在实际预紧过程中,主要靠各处的接触来限制变形,当采用接触算法后,对气缸盖的位移不再做约束.对气缸体在底部加入固定约束,同时限制X、Y、Z方向的位移.2.4　载荷边界条件和载荷处理(1)预紧力与拧紧力矩的关系预紧力F的数值应根据载荷性质、联接刚度等条件确定.在使用中所施加的预紧力是由拧紧螺栓所施加的扭矩T给出,T可以使用扭力扳手在拧紧螺栓时测出.拧紧力矩T等于螺旋副间的摩擦阻力矩T1和螺栓支承面上的摩擦阻力矩T2之和:即:T=T1+T2　(1) T1=Fd2tan(ψ+φν)/2(2) T2=f c F(D30-d30)/[3(D20-d20)](3)则:T=T1+T2=12F d2tan(ψ+φν)+23f c(D30-d30)/(D20-d20)(4)整理成如下表达式:(5) 76第2期李恒宾,等:气缸盖在联接螺栓采用不同拆装顺序时的有限元结构分析令:d 2tan (ψ+φν)2d +f c (D 30-d 30)3d (D 20-d 20)=k 1(6)于是有:T =k 1F d(7)k 1:为扭矩系数;d :为螺纹公称直径;T :为拧紧力矩;F :为螺栓预紧力.普通钢制螺栓联接k 1的平均值是0.199,标准偏差是0.05.在经验设计中,k 1一般取为0.2[5].(2)螺栓预紧力的模拟方法采用ANSYS Wo rkbench11.0软件自带的螺栓载荷,它的模拟原理是采用预紧力单元法,施加方便,模拟精度较高.为了比较联接螺栓采用不同拆装顺序的区别,在ANS YS Wo rkbench 中用载荷步的形式来实现,分以下4种方案进行分析计算:方案1:从中间到两边对角拧紧,即:根据图3所示的螺栓编号按①-②-③-④-⑤-⑥-⑦-⑧-⑨-⑩的顺序分三次拧紧,预紧力分别为:20KN 、30KN 、40KN .图3　气缸盖螺栓编号Fig .3　Cylinder head b olts code方案2:从两边到中间不对角拧紧,即:根据图3所示的螺栓编号按⑩-⑦-⑨-⑧-④-⑤-③-⑥-②-①的顺序分三次拧紧,预紧力分别为:20KN 、30KN 、40KN .方案3:从两边到中间对角拆卸,即:根据图3所示的螺栓编号按⑩-⑨-⑧-⑦-⑥-⑤-④-③-②-①的顺序拆卸.方案4:从中间到两边不对角拆卸,即:根据图3所示的螺栓编号按①-②-⑥-④-⑤-③-⑨-⑧-⑩-⑦的顺序拆卸.3　有限元模型的求解及结果分析(1)气缸盖不同拧紧顺序求解结果分析从图4-图7的数据可以看到,联接螺栓按方案1和方案2采用不同的拧紧顺序拧紧后,得到的气缸盖变形和应力值非常接近,证明这两种不同的拧紧顺序得到的预紧效果区别不大.图4　方案1气缸盖总变形情况Fig .4　Total deformation des ign 1图5　方案2气缸盖总变形情况Fig .5　Total deformation of design 277青海师范大学学报(自然科学版)2011年图6　方案1气缸盖等效应力分布Fig .6　Equivalen t stress of design1图7　方案2气缸盖等效应力分布Fig .7　E quivalent stres s of design 2 (2)气缸盖不同拆卸顺序求解结果分析从图8和图9的数据可以看出,按方案3拆卸后气缸盖总变形的最大值和最小值要比方案4的小许多,对气缸盖的维修和使用有利.图8　方案3气缸盖总变形情况Fig .8　Total deformation des ign3图9　方案4气缸盖总变形情况Fig .9　Total deformation of design4图10　方案3气缸盖残余应力分布Fig .10　Residual stres s of design3图11　方案4气缸盖残余应力分布Fig .11　Residual stress of des ign 4 从图10和图11的数据可以看出,采用方案3拆卸后残余应力的最大值和最小值均比方案4小,气缸盖不容易产生疲劳而出现裂纹,同时气缸盖在拆卸后由残余应力导致的变形也较小,效果较好.而按方案4的顺序拆卸后气缸盖的残余应力较大,分布不均匀,最大应力部位出现在气缸盖鼻梁区,对气缸盖重新安装后的密封性有较大影响.4　结论(1)气缸盖联接螺栓采用多次顺序加载后,两种不同的拧紧顺序对气缸盖的变形和应力影响很小,数据也非常接近.说明采用从中间到两边对角拧紧联接螺栓与从两边到中间不对角拧紧时的效果相当.(2)联接螺栓不同的拆卸顺序对气缸盖总变形及等效应力的影响较大,按从两边到中间对角拆卸的原则比较合理.参考文献:[1]　孔宪峰.汽车发动机构造与维修[M ].北京:高等教育出版社,2001:101-104.[2]　宋晋宇.Z6110型柴油机气缸盖、气缸垫接触强度分析及其算法的探讨[D ].大连:大连理工大学,2005:09.[3]　王勖成.有限单元法[M ].北京:清华大学出版社,2003:03.[4]　Lei Jiang ,R J Rogers .Combined Lagrangian multiplier and penalty fu nction finite element technique for elastic im pact analy sis [J ].Com -78第2期李恒宾,等:气缸盖在联接螺栓采用不同拆装顺序时的有限元结构分析79pu ter﹠Structu res,1988,30(6):1219-1229.[5]　林湖.发动机关键螺栓紧固理论与实验研究[J].上海海运学院学报,2006(1):18-19.Finite element structural analysis of cylinder head in differentdisassembly and assembly orders of connection boltsLI H eng-bin1,F EI Qing-zhang2,HU A NG Ping1(1.Departm ent o f Autom otive Engineering,Qinghai Communicatio ns Technical College,Xining810028,China;2.Qing hai Haida Vehicle Detection Co.,LTD,Xining810028,China)A bstract:Using3D mo deling softw are Solidw o rks,the three dimensional m odel of the cylinder head, the cy linder blo ck and cy linder bo lts are constructed,ANSYS W orkbench so ftw are is used to me shed,and the boundary condition of the finite element analy sis model are dete rmined.Calculated and analyzed the de-fo rm atio n and stress distribution o f the cylinder head in different disassembly and assem bly orders.The re-sult are co mpared to obtain the reaso nable disassem bly order,w ith a ce rtain significance of reference and guidance to guaranteeing quality of Auto mobile mo to r maintenance.Key words:Cy linder head;finite element;preload;contact。