汽油发动机机体强度和缸套变形分析

汽油发动机机体强度和缸套变形分析
作者：王艳军崔权张小矛
来源：《计算机辅助工程》2013年第05期
摘要：对某发动机机体及其缸套进行热传导计算，得到其在全速全负荷稳态工况下的温度场分布；评价其温度场分布的合理性并以此为边界条件进行机体热强度分析.计算机体和缸套在预紧力工况、温度载荷工况以及燃气爆发压力工况下的变形和强度.采用傅里叶展开法处理得到缸套的各阶次变形情况，并通过各阶次变形评价指标评价缸套.
关键词：汽油机；缸套；变形；热传导；有限元
中图分类号： U464.171； TB151.1文献标志码： B
收稿日期： 2013[KG*9〗08[KG*9〗05
作者简介：王艳军（1984—），男，山西忻州人，硕士，研究方向为有限元分析及NVH，（Email）wangyanjun@0引言
机体是发动机最主要的部件之一，是发动机的骨架，其上安装着各种子系统部件和其他必要的附属设备，在发动机工作过程中机体要承受可燃混合气燃烧所产生的热负荷冲击、曲柄连杆机构高速运动所产生的各种载荷以及部件之间相对运动所产生的摩擦与磨损[13]；整个发动机系统工作过程中所产生的各种激振力最终都以不同的形式和路径传递并作用在机体上，势必要求气缸套有足够的强度和刚度，并且在工作时不致于有太大的变形.气缸套还承受活塞的侧向力，活塞在其表面做高速运动，使气缸套内壁受到强烈的摩擦.所以，在设计缸套时要提高其刚度和耐磨性，减少安装变形和热变形，防止出现拉缸等问题.[45]
有限元结构分析方法是非常成熟和实用的分析方法之一，在发动机相关零部件设计分析过程中得到很好的推广，可大大提高计算效率，为工程开发节省大量时间.本文以某发动机的机体和缸套为研究对象，考察机体设计中的强度和缸套变形情况.
1气缸套温度场计算
1.1有限元模型的建立
有限元分析模型主要包括机体、缸套（铸铁）、缸盖、气缸垫、主轴承盖以及各零件之间的固定螺栓等，见图1.为正确模拟各零件之间的接触关系，采用面面接触单元模拟零件之间的接触表面.此分析中的接触对主要包括：气缸垫分别与机体及缸盖、机体与主轴承盖、缸盖与缸盖螺栓、主轴承盖与主轴承盖螺栓等.其中，垫片单元采用Abaqus提供的专业Gasket单元，赋予其真实测试的垫片加载卸载曲线，可准确模拟发动机运行过程中垫片的密封功能，使得整机模型仿真更贴近实际情况.
图 1有限元模型
在采用有限元法求解受力问题时，为防止出现刚体位移，必须对模型施加约束条件.根据圣维南原理，约束对离其较远的地方影响较小，因此在引入约束时既要保证消除模型的刚体位移，又要对计算结果的精确性影响较小.本文主要关注机体缸套的受力变形，可在缸盖顶面上选若干点约束1，2，3自由度.该约束方式只会影响到缸盖顶面附近的计算结果，不会影响机体以下的计算结果，可得到较为合理的计算结果.
1.2机体和缸套温度场的计算
导热问题的常见边界条件有以下3类.
（1）规定边界上的温度值，称为第一类边界条件.温度与时间的关系式为tw=f1（τ），τ>0（1）（2）规定边界上的热流密度值，称为第二类边界条件.热流密度与时间的关系式为-λ（tn）w=f2（τ），τ>0（2）式中：n为边界面的法线方向.
（3）规定边界上物体与周围流体间的表面传热系数h和周围流体的温度tf，称为第三类边界条件.第三类边界条件可表示为-λ（tn）w=h（tw-tf）（3）机体的温度场计算主要采用第一类边界条件和第三类边界条件.第一类边界条件可在Abaqus中直接施加，而第三类边界条件由CFD软件计算得到，并通过其与Abaqus的接口映射到有限元网格模型上，然后利用热传导计算得到机体和缸套的温度场分布.
1.3热传导计算结果分析
通过热传导计算，可得到机体和缸套温度场结果（见图2）.缸套内壁的最高温度出现在其上部区域（即机体两缸缸肩处）.这是因为发动机正常工作时，在燃气燃烧的同时将热量传递给机体，缸套内壁上部区域直接与高温燃气接触，吸收热量较多，且此处没有冷却水道，致使冷却情况较差；缸套内壁从上往下温度依次降低.该温度场分布情况比较合理，低于材料许用温度极限.
图 2机体温度场结果
2机体强度分析
通过热机械耦合计算结果可知，轴承座交变应力和平均应力都较大，在进行高周疲劳计算后可知，该处安全因数均远小于1.5，须进行优化加强，轴承座安全因数和应力情况见图3.通风孔处虽然交变应力和平均应力均较小，但进行疲劳计算后发现，该处安全因数还是小于设计要求值1.5，须加大该处圆角，通风孔安全因数和应力情况见图4.
3气缸套变形分析
3.1冷装配工况下的缸套偏心量分析
缸盖在未装配时和装配好后其缸套的失圆度情况是不同的，缸盖螺栓拧紧后，在缸盖螺栓预紧力的作用力下，缸套会产生一定的变形，缸套变形云图见图5.可知，缸套整体体现为倾斜的变形姿态，缸套内壁均出现“两头粗，中间细”的变形，且最大变形出现在缸套顶部以下几毫米的位置.该现象主要与缸盖螺栓搭子在机体上的布置方式有关.
图 3轴承座安全因数和应力情况
图 4通风孔安全因数和应力情况
图 5缸套变形云图
本文工况分析的是缸盖螺栓预紧力对缸套变形的影响.为更好地评判气缸套的变形，在气缸套的内孔表面从上到下选取6个截面，其中4个截面距机体顶面的距离分别为8，40，71和98 mm，每个截面上有100个节点.取各个截面上各个节点的径向变形数值进行后处理，在柱坐标系下可以清晰看出不同高度截面偏心情况，见图6，可知，缸套不同截面高度均出现不同程度的偏心量，主要是由于机体进排气两侧刚度不一致导致的.如果偏移量太大，且偏向主推力面，可能会导致活塞与缸套摩擦较大，严重时可能会出现拉缸现象.
图 6不同高度截面偏心情况
3.2缸套变形傅里叶变换分析
为研究缸套变形与其影响因素之间的关系，针对第一缸缸套，采用傅里叶展开的方法将缸套变形各阶次分离，并通过各阶次变形的评价指标对其进行评价，找出不符合设计要求的各阶次变形，并对相应的影响因素提出改进措施.通过研究发现，缸套变形的2阶、3阶、4阶变形占主导地位.2阶主要反映的是缸套的加工变形，3阶、4阶主要反映的是螺栓预紧力对缸套的影响.缸套变形进行傅里叶展开后的各阶次变形见图7.
图 7缸套各阶次变形
缸套轴向截面各阶次变形（沿缸套高度方向）见图8.
图 8缸套轴向截面各阶次变形（沿缸套高度方向）由图8可知，2阶、3阶、4阶对缸套变形的贡献量都较大；阶次越高，变形量越小，符合缸套变形的一般规律.第4阶次变形量稍大，缸套的其余阶变形量均满足设计要求，应重点关注缸盖螺栓搭子的布置.
4结论
通过对机体和缸套的温度场计算，以及缸套的变形分析，得到以下结论.
（1）缸套的最高温度出现在两缸之间的缸肩位置，且温度在缸套的轴线方向从上到下呈梯形分布，上部温度梯度变化大于下部.
（2）在螺栓预紧力工况下的缸套变形呈哑铃形变形（即两头粗、中间细），且上部变形大于下部，中间则变形较小.
（3）施加温度载荷后，缸套的变形情况有很大的差别.主要是因为温度载荷引起的热膨胀使缸套截面径向变形变大，比机械负荷引起的变形要大得多，因此温度载荷对缸套变形的影响很大.
（4）通过用傅里叶展开的方法将缸套变形分解为各阶次变形，发现第一缸缸套第4阶变形量稍大，应更改螺栓搭子位置将其消除.参考文献：
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