基于有限元求解的汽車發動機連接結構分析研究

趙建寧

摘要：針對汽車發動機燃燒室內部對材料的超高要求，采用有限元分析方法對發動機連接結構中的熱障涂層溫度場和應力場進行分析，并分析了比較典型的L圓角連接結構的溫度場。結果表明，zrO2-NicrAlY層具有良好的溫度應變性能，并隨著溫度加熱，其溫度場降低，基本能滿足發動機燃燒室的性能要求。同時將有限元方法應用到L型連接結構中，得到在過渡區具有較大的溫度場。由此通過以上的分析，闡述了連接結構在發動機燃燒室中的相關溫度和應力變化情況，為后續的發動機部件涉及提供了參考。

關鍵詞：有限元;汽車發動機;連接結構;熱障涂層

中圖分類號：T0050.3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）09-0081-04

在機械設計制造、土木建筑、材料加工等諸多領域中，有限元分析被廣泛應用于來解決復雜工程分析問題。有限元分析能夠優化設計制造方案，有效提升機械產品或工程的可靠性，并且降低原材料成本。在汽車發動機領域中，燃燒室是汽車發動機的核心部件，燃氣溫度的高低直接關系著發動機的推力與效率的高低。傳統的汽車發動機冷卻技術以及耐熱材料難以為燃燒室提供有效可靠的熱防護，而主動冷卻以及熱障涂層的設計方案又需要熱障涂層具有較高的可靠性。因此，文章以有限元分析為基礎，對發動機常用的熱障涂層的溫度場和變形、應力場進行分析，以此通過優化，提高異質材料連接件的性能，更好的提升發動機動力性能。

1連接結構簡介及熱傳導控制

文章中研究發動機異質材料連接件主要為熱障涂層，該涂層由ZrO2面層、NiCrAlY粘接層構成。其中，zrO2面層的厚度介于0.25～0.35mm;NiCrAlY粘接層厚度介于0.05-0.1mm。連接件結構為4.5mm×45mmX1mm。具體連接結構如圖1所示。

文章所分析的發動機異質材料連接件值考慮面層熱一物性參數變化，其他的暫不做考慮。

2連接結構溫度場變化規律分析

2.1整體溫度場變化分析

利用有限元法對溫度場進行求解，從而得到圖2的連接結構溫度場變化。根據圖2可以看出，溫度場的變化在z軸方向的變化不明顯，但是在Y軸方向的變化卻非常明顯。說明，沿著Y軸方向為溫度梯度變化的主要方向。

2.2不同層溫度場變化分析

選取圖1中連接結構中粘接層一薄板界面、面層一粘接層界面，對兩界面的溫度場變化進行分析。通過分析得到圖3的結果。根據結果表明，上述兩個界面在Y軸方向的溫度梯度受熱在最開始時最高，此后隨著時間的推移，其溫度開始變低。

根據上述結果可以看出，該汽車發動機連接結構隨著時間的推移，其溫度場開始越來越低，最終趨于穩定。說明該材料滿足發動機燃燒室的燃燒要求。

2.3不同層界面應力變化分析

根據圖3的結果，取t=10s的情況下，探討不同界面的應力變化規律，并得到在該時刻下的界面應力的典型路徑投映，具體見圖4所示。

從上述結構的整體分析來看，在靠近對稱約束端界面，其應力分布相對比較均勻，而在靠近自由端面方向，界面應力開始變化，并出現峰值。造成該變化的原因，是因為受到邊緣效應的影響。

3不同連接結構厚度對溫度場和應力場的影響

為分析發動機異質材料連接結構中不同面層的厚度給整體連接結構的影響，取面層厚度最大值和最小值，然后通過有限元求解法得到結構特征點溫度和界面法向應力SY。具體見圖5所示。在圖5中，則分別給出面層的厚度為0.35mm、0.3mm和0.25mm三個不同厚度下的結構特征點溫度變化情況。其中，Temp_1表示冷卻（cooling）面溫度，Temp_2和Temp_3分別表示界面1和界面2溫度，Temp_4表示受熱（heating）面溫度。對應的應力變化范圍則如圖6所示。圖6（a）、（b）和（c）分別為面層厚度為0.35mm、0.3mm和0.25mm時的界面法向應力變化。inteffacel、inter.face2分別表示粘接層一薄板界面、面層一粘接層界面。通過以上的結果可以看出，隨著面層厚度的減小，其溫度場略有下降，而薄板表面溫度卻有少許上升。在應力方面，隨著面層厚度的增加，其應力峰值也不斷增加。

3L-型結構有限元分析

為進一步驗證有限元分析在發動機材料特性分析中的價值，以某發動機連接結構中的L型結構為例，具體見圖7所示。

在實際應用的L型結構中，

d3=d4=4.5e-3m，r表示半徑，分別取值為0.5e-3m、1e-3m、1.5e-3m。同時其中的S.C.表示施加的對稱位移約束。

同時，為方便計算，引人平面應變假設。同時材料單彈性模量設定為200GPa，停松比設定為0.3，材料的膨脹系數為13.5e-6，熱傳導系數在設定為17.5W/mK。對冷卻壁施加500°C的溫度邊界條件，同時對加熱壁施加1000°C的溫度邊界。通過有限元分析，得到該L結構的溫度場分布情況，具體見圖8所示。通過圖8看出，L結構的溫度場在其拐點處，即在圓角與豎直平面的過渡節點上，其溫度場達到峰值。由此，通過上述的變化看出，在該過渡節點上，其溫度變化最為明顯，對材料的要求也是最高。

4結語

通過有限元分析，解釋了熱障涂層在發動機室內燃燒的過程中，其內部溫度和應力的變化情況，從而為發動機內部關鍵部件的材料選定和設計提供了很好的參考，對提高發動機內部性能具有很好的作用和價值。