某柴油機缸體缸蓋耦合分析

倪成鑫，路明，胡鵬翔

?

某柴油機缸體缸蓋耦合分析

倪成鑫，路明，胡鵬翔

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

作為發動機的重要載體，對缸體缸蓋進行耦合分析以確定是否滿足設計要求是十分必要的。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分布、強度及高周疲勞安全系數分析，以及對缸墊性能及缸孔變形量等分析內容。

溫度場；缸孔變形量；強度分析；ABAQUS

前言

中小型高速水冷內燃機的氣缸體與缸蓋通過螺栓安裝成一體，總稱為機體。機體是構成發動機的骨架，提供了發動機主要零部件和附件的安裝位置，并為曲柄連桿等機構的運動件提供運動空間。

機體在工作時，受燃氣壓力以及活塞連桿系統以及其他附件系統的影響，機體承受拉伸、彎曲、扭轉力，因此，機體要有足夠的強度和剛度，以保證機體不變形，保證各配合間隙以及各運動件的運動精度以及各附件的安裝精度，所以對缸體缸蓋進行溫度場分布、強度及高周疲勞安全系數分析，以及對缸墊性能及缸孔變形量等分析內容就變得尤為重要。

1 計算機模型及參數

在對某柴油機進行缸體缸蓋耦合分析時，一般取缸蓋、缸體、墊片、氣門座圈、氣門導管及缸蓋螺栓作為分析模型。由于網格比較復雜，為保證計算收斂，需要對區域網格進行映射處理。使用Hypermesh對模型進行網格劃分，單元類型缸墊采用GK3D12MN，其余采用C3D10M。溫度場分析時單元類型缸墊采用DC3D15，實體單元采用DC3D4，面單元選擇DS3，計算采用ABAQUS求解器。

在發動機冷態計算情況下，使用冷態一般可以分析發動機冷態條件下，發動機缸體的缸孔變形量及發動機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。

在計算發動機熱態條件時，針對2900rpm/全負荷工況點進行了整個工作循環的模擬，分析需要CFD提供工作循環中近壁面的氣體平均溫度和換熱系數壁面的氣體平均溫度和換熱系數，為了較為準確的FEA熱邊界，如圖3所示調整了噴霧和燃燒的部分模型參數。

圖1 有限元分析模型

圖2 缸墊及缸墊性能曲線

根據上述得到的邊界條件，作為輸入條件，在ABAQUS中建立分析步進行分析。分析步先按照裝配條件，建立各個接觸面的靜態載荷：接觸關系（過贏）及加載螺栓預緊力，然后分別加載各缸最大爆發壓力，在計算缸體缸蓋熱應力時，還需要考慮在爆發壓力對氣門座圈及活塞兩道氣環的影響。邊界條件設置時，為了盡可能不影響分析結果，取幾個點作為約束使用，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 計算結果

為確保氣缸墊在發動機工作過程中不產生泄露的情況，需要保證缸墊的油水筋及缸口筋在合理的壓力范圍內，且不發生分離的情況。在最小的螺栓預緊力的情況下，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，缸孔變形四階標準為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，缸孔變形六階標準為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，在ABAQUS中進行計算可以得出各零部件的溫度場。缸體最大溫度為216℃出現各缸孔之間，缸蓋最高溫度350~380℃出現在鼻梁區及靠近排氣門附近位置，各缸溫度均勻，回油道最高溫度200℃小于機油炭化溫度，溫度未出現明顯異常。進氣門燃燒室側溫度300~540℃，排氣門燃燒室側溫度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 各零部件溫度場云圖

通過提取上述溫度場，對缸體缸蓋的熱應力計算，確保應力水平可以滿足材料限值要求。提取應力結果進行高周疲勞計算，發現在缸蓋水套根部圓角區域疲勞安全系數只有0.785，不能滿足1.1最小疲勞安全系數的要求。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力集中的情況。從而，將最小疲勞安全系數提高到1.2，以滿足要求。變更前后的缸蓋疲勞安全系數，如圖4所示。

圖4 缸蓋安全系數云圖

3 結論

通過文章分析可知，不會發生沖缸墊的現象。缸孔變形量在6階下，在2、3缸存在超標的情況，需要發動機后期進行機油耗試驗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，缸蓋油道溫度在要求范圍之內，不會因為過熱而對機油造成碳化等影響。缸蓋水套側泡核沸騰裕度在要求范圍之內，確保缸蓋換熱良好，不會在危險區域產生局部開鍋。通過優化缸蓋水套根部圓角區域可以提升缸蓋疲勞安全系數，從而滿足發動機要求。

[1] 路明,朱凌云.基于Abaqus的發動機缸體缸蓋耦合仿真分析[J].計算機輔助工程,2013.

[2] 楊連生.內燃機設計[M].北京:中國農業機械出版社,1981.

[3] 楊萬里,許敏.發動機缸蓋耦合熱應力分析[J].內燃機工程,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股份有限公司技術中心發動機設計研究院，研究方向為內燃機方向。

U262.11

B

1671-7988(2018)24-86-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.029