基于有限元法的單缸柴油機氣缸缸套變形分析

徐一心+袁敏

摘 要：為解決X170F柴油機整機比質(zhì)量差的問題，應(yīng)用HyperWorks建立柴油機的有限元模型并分析。提出缸套評價指標，并采集缸套變形數(shù)據(jù)。對機體進行了結(jié)構(gòu)改進，結(jié)論證明更換材料的方案可行有效。

關(guān)鍵詞：整機比質(zhì)量；氣缸套變形；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.017

0 引言

某柴油機比質(zhì)量較差，因此本文對其進行改進設(shè)計。總的改進優(yōu)化指導(dǎo)原則：在保證柴油機強度剛度的情況下，使其整機比質(zhì)量盡量小。

1 建立有限元模型

計算條件及方案：

進行有限元分析前，針對性的提出了以下方案如表1所列。

（1）邊界條件的確定。曲軸箱底支座孔處約束X、Y、Z平動自由度。

（2）力的施加。氣缸內(nèi)有燃氣壓力。活塞側(cè)壓力沿周向120°余弦施加，在軸向沿著拋物線分布[4，5]。

2 更換機體材料

第二代單缸柴油機整機比質(zhì)量限值11.5kg/kw（3000r/min）。該柴油機排量0.289L，12小時輸出功率為3.676kW/3000r/min。根據(jù)上述要求計算得到其重量限值42.27kg，本文所研究的柴油機重47kg，存在5kg的超重量。

應(yīng)用鋁合金材料替代鑄鐵合金，可以使曲軸箱質(zhì)量有效減重6～7kg。這兩種材料的許用抗拉強度相差不大。但鑄鋁合金的彈性模量、硬度和高溫強度不及鑄鐵。因此，對于改進后的設(shè)計方案主要圍繞機體和氣缸套的剛度進行。

3 評價指標

考慮到原機能正常工作，由此類推可知：若能保證改進后的變形小于改進前或與改進前保持同一水平，則新發(fā)動機亦能正常工作[6]。以缸套內(nèi)孔同軸度和圓柱度作為算例。

3.1 氣缸套內(nèi)孔的評價指標

3.1.1 數(shù)據(jù)的采集

為了評價氣缸套的變形，在氣缸套的內(nèi)孔選取43個橫截面進行分析，分別編號1～43。采集輸出數(shù)據(jù)過程通過ANSYS軟件完成。

3.1.2 評價指標說明

找出43個已變形截面形心，并將找到的形心沿上述當量軸線方向投影，以使其在同一基準平面。把上述形心用一最小圓包絡(luò)，這一最小圓的直徑值即主軸承孔同軸度。按上述方法畫出含所有投影點的最小外切圓與最大內(nèi)切圓。主軸承孔的圓柱度即兩圓半徑差值。

3.2 氣缸套內(nèi)孔的整體變形

如圖1所示：方案6中氣缸套內(nèi)孔在工作工況下的變形趨勢相同。整體變形均呈花瓶狀，缸套內(nèi)孔底部橫截面的變形呈橢圓狀，其長軸與Z軸的夾角約為5°。缸套內(nèi)孔頂部橫截面的變形呈四邊形，且四邊形的四個角與缸蓋螺栓夾角均約為45°。第1道氣環(huán)以上部位由于氣體力的作用而張開，在橫截面35（第2道氣環(huán)頂部）出現(xiàn)上部縮口，在橫截面16出現(xiàn)下部縮口。這是由于這2個截面都位于剛度劇烈變化的交界處，無法膨脹，故出現(xiàn)相對內(nèi)縮。工作工況下，方6中最小的內(nèi)切圓直徑均出現(xiàn)在橫截面1，其值為69.86 mm，比公稱直徑小149.5?m。

3.3 氣缸套內(nèi)孔的圓柱度和同軸度分析

通過計算，方案2中機體所承受的爆發(fā)壓力比方案1大0.5MPa，使缸蓋螺栓伸長量略大。傳到氣缸套的氣體壓力減小，氣缸套變形量減小。因此方案2中缸套內(nèi)孔的同軸度、圓柱度均小于1方案1。

通過計算， 6方案中缸套同軸度由下降到5.06?m，同時圓柱度增大到44.64?m。查閱機械設(shè)計手冊，尺寸50～80毫米，精度等級11級的圓柱度值為31～46?m，所以可知2方案和6方案的圓柱度精度為同一級。

4 結(jié)論

（1）氣缸套內(nèi)孔的整體變形均呈花瓶狀，缸套內(nèi)孔底部橫截面的變形呈橢圓狀且長軸與Z軸的夾角約等于5°。頂部橫截面的變形呈四邊形且四邊形的四個角與缸蓋螺栓之間的夾角均約等于45°。

（2）6方案缸套內(nèi)孔的同軸度較1方案1小15.1%，圓柱度大37.1%。查閱手冊得到，6方案中缸套內(nèi)孔截面圓度略稍稍增大，但1方案和6方案的圓柱度在同一精度等級。所以，氣缸套在經(jīng)過曲軸箱優(yōu)化后工況正常。

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作者簡介：徐一心（1987-），女，助教，研究方向：內(nèi)燃機有限元分析。