基于非線性的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊密封性能研究

李衛(wèi)民，唐兆豐，姜 凱

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

1 引言

近年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的提升，利用計(jì)算機(jī)為輔助工具對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析的虛擬仿真技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中。尤其是在汽車工程領(lǐng)域，各大生產(chǎn)廠商都將有限元技術(shù)作為研發(fā)的基礎(chǔ)。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能的研究中，絕大多數(shù)的工程技術(shù)人員只考慮了線性因素對(duì)其進(jìn)行有限元分析。通過實(shí)驗(yàn)表明這種方法得到的結(jié)果是不具有參考價(jià)值的，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊是典型的具有高度非線性的零件，但是很多工程技術(shù)人員卻沒有注意到這一分析上的疏忽帶來的影響。此次研究以某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)以及配套的金屬氣缸墊片為例，在螺栓預(yù)緊力作用下考慮非線性因素對(duì)其影響，并將分析所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證分析結(jié)果的精確性。同時(shí)，對(duì)于金屬墊片提出了一種全新的分析方法，并且驗(yàn)證了方法的可行性與精確性。

2 虛擬仿真分析

2.1 非線性條件表現(xiàn)

以某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及其配套金屬氣缸墊片為例進(jìn)行考慮非線性的有限元分析，其中金屬氣缸墊片為三層氣缸墊片通過鉚釘連接。對(duì)其進(jìn)行加載卸載實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在卸載過程中曲線沒有沿著加載過程中的曲線進(jìn)行卸載，其在厚度方向上表現(xiàn)出高度的非線性性，加載卸載曲線如圖1所示。因此，使用線性的分析方法對(duì)其進(jìn)行與有限元的虛擬仿真，得到的結(jié)果必然是無法準(zhǔn)確反應(yīng)出實(shí)際的工作情況。由于墊片其所具有的特殊性，ANSYS軟件專門為其設(shè)計(jì)了一種gasket材料來定義這一特殊的物理屬性，其主要受力變形方向?yàn)楹穸确较颍W(wǎng)格只在接觸面上劃分一層網(wǎng)格，通過輸入經(jīng)過換算的壓縮回彈曲線來定義具體的材料屬性［2］。

圖1 加載卸載曲線Fig.1 The Diagram of Load and Unload

除了材料體現(xiàn)的非線性，分析中還存在接觸對(duì)的非線性。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配體組合在實(shí)際的工況下密封墊片與氣缸體和氣缸蓋的接觸屬于摩擦接觸，摩擦接觸是典型的非線性接觸，而有些工程技術(shù)人員為了使分析結(jié)果容易收斂而選擇綁定接觸。綁定接觸是線性的，其會(huì)導(dǎo)致氣缸墊片在擠壓過程中沒有橫向的伸展，得到的結(jié)果必然是不準(zhǔn)確的。為了得到精度較高的結(jié)果，本例中選擇摩擦接觸進(jìn)行分析。

本例選用的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊片是由0.2mm厚的不銹鋼板沖壓出0.2mm高的密封筋。在螺栓預(yù)緊力下，其密封筋基本處于完全壓平的狀態(tài)，零件變形大小幾乎與零件厚度相等，這就涉及到幾何的非線性（大變形），在分析中為了提高結(jié)果的精度，需要將求解設(shè)置中的大變形開關(guān)打開。由于打開大變形開關(guān)會(huì)使結(jié)果不易收斂，所以很多工程技術(shù)人員在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能進(jìn)行有限元分析時(shí)沒有選擇將大變形開關(guān)打開，這就導(dǎo)致分析的結(jié)果精度不夠，所以為了更能貼近實(shí)際的工況，在分析的過程中需要考慮幾何非線性（大變形）對(duì)結(jié)果造成的影響。

2.2 非線性求解及結(jié)果分析

由于選用的發(fā)動(dòng)機(jī)組模型十分復(fù)雜，同時(shí)又考慮了其非線性，因此收斂十分困難。為了提高其收斂速度，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將一些細(xì)小的對(duì)結(jié)果影響較小的特征可進(jìn)行簡(jiǎn)化。在簡(jiǎn)化模型的過程中要注意發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體表面存在很多筋和肋板，這些特征主要起到增強(qiáng)氣缸體強(qiáng)度，在簡(jiǎn)化模型的過程中需要對(duì)這些特征進(jìn)行保留。同時(shí)由于有限元法主要通過有限單元節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行力的傳遞，為了減小誤差、提高計(jì)算精度，需要對(duì)相接觸的表面網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，同時(shí)保證相接觸位置節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?yīng)，這樣有利于提高計(jì)算結(jié)果的精度和收斂性。

對(duì)于非線性問題的求解，一般采用迭代法來進(jìn)行計(jì)算，ANSYS軟件中使用Newton-Raphson法來進(jìn)行迭代求解，其基本原理，如圖2所示。

圖2 Newton-Raphson法Fig.2 Newton-Raphson Method

Newton-Raphson法是通過多次迭代來進(jìn)行求解，首先第一次迭代施加一個(gè)載荷，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算其內(nèi)力，內(nèi)力與載荷的差即為殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力小于某個(gè)值時(shí)，則認(rèn)為系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)是收斂的，反之則要利用當(dāng)前條件重新計(jì)算新的剛度矩陣，直到殘余應(yīng)力小于那個(gè)額定值為止［5］。當(dāng)分析結(jié)果不收斂時(shí)，ANSYS軟件也可以通過查看最后幾次迭代的Newton-Raphson的殘余應(yīng)力來觀察具體是哪個(gè)位置的迭代出現(xiàn)殘余應(yīng)力過大而不收斂。對(duì)于局部殘余應(yīng)力過大的問題，一般是網(wǎng)格質(zhì)量不好而引起的，所以可以通過加密局部位置的網(wǎng)格來提高其收斂性。在分析過程中系統(tǒng)是通過殘余應(yīng)力來判斷是否收斂的，若殘余應(yīng)力過大則會(huì)導(dǎo)致軟件判定分析無法收斂而導(dǎo)致計(jì)算失敗，因此，可以通過增加載荷步來降低每步計(jì)算時(shí)的外載荷力，從而減小殘余應(yīng)力提高收斂性。

經(jīng)過仿真計(jì)算得到金屬氣缸墊片中密封筋的法向壓力結(jié)果云圖，并取20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行觀察，如圖3所示。將面壓實(shí)驗(yàn)的膠片結(jié)果可以導(dǎo)入專門查看膠片圖樣的FPD8010軟件中查看實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)，在與有限元結(jié)果相對(duì)應(yīng)的位置同樣的選取20個(gè)點(diǎn)，如圖4所示。將其與有限元分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來判斷模型的準(zhǔn)確性以及有限元虛擬仿真的正確性［6］。根據(jù)表1可知，所選的20個(gè)點(diǎn)的平均誤差在2.912%，可以證明模型的準(zhǔn)確性，以及考慮非線性因素進(jìn)行有限元分析的方法可以獲得與實(shí)際情況吻合度較高的結(jié)果。

表1 對(duì)比結(jié)果Tab.1 The Results of contrast

圖3 法向墊片壓力結(jié)果云圖Fig.3 Result Cloud of Normal Gasket Pressure

圖4 面壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果云圖Fig.4 Result Cloud of Surface Pressure Test

3 簡(jiǎn)化墊片

經(jīng)過觀察氣缸墊片法向方向的應(yīng)力結(jié)果云圖可以發(fā)現(xiàn)，在只受到螺栓預(yù)緊力的狀態(tài)下，金屬氣缸墊主要依靠各個(gè)密封筋來提供密封力，墊片的其他位置所受的法向方向的應(yīng)力十分小，因此在計(jì)算氣缸墊的密封力時(shí)考慮單元節(jié)點(diǎn)數(shù)目以及計(jì)算成本，可以只對(duì)密封筋處建模而將氣缸墊其它位置進(jìn)行簡(jiǎn)化，觀察其密封力與面壓實(shí)驗(yàn)是否吻合。若簡(jiǎn)化后模型的密封力與面壓實(shí)驗(yàn)相吻合，則證明簡(jiǎn)化氣缸墊片的方法可以適用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊片的密封性能的研究，如圖5所示。

圖5 法向應(yīng)力結(jié)果云圖Fig.5 Result Cloud of Normal Stress

將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入有限元軟件中，經(jīng)過分析計(jì)算得到密封筋位置的法向壓力結(jié)果云圖，在與未進(jìn)行簡(jiǎn)化模型的相同位置取20個(gè)點(diǎn)，如圖6所示，將其結(jié)果與面壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比結(jié)果，如表2所示。

圖6 法向墊片壓力結(jié)果云圖Fig.6 Result Cloud of Normal Gasket Pressure

表2 對(duì)比結(jié)果Tab.2 The Results of contrast

通過觀察可知，簡(jiǎn)化后的墊片所取20個(gè)點(diǎn)法向方向的壓力值與面壓實(shí)驗(yàn)的平均誤差是4.02%，雖然結(jié)果的精度略有下降，但是滿足計(jì)算結(jié)果的精度要求。

簡(jiǎn)化氣缸墊片的分析方法可以有效減少接觸對(duì)以及網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，在滿足計(jì)算結(jié)果精度的同時(shí)可以提高計(jì)算速度和收斂性。因此，可以廣泛應(yīng)用在相同類型產(chǎn)品的分析中。

4 密封結(jié)果檢驗(yàn)

根據(jù)主機(jī)廠對(duì)于本例所選用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊片密封性能的要求，要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)正常工況下的密封條件，需要?dú)飧讐|片在只受螺栓預(yù)緊力的狀態(tài)下的缸口位置密封壓力應(yīng)達(dá)到60MPa。為了更好觀察設(shè)計(jì)的氣缸墊片是否滿足要求，在分析結(jié)果的應(yīng)力云圖中將左側(cè)比例尺進(jìn)行調(diào)整，以60MPa為分界線對(duì)其顏色進(jìn)行統(tǒng)一，這樣可以方便觀察其缸口位置是否能形成一個(gè)完整的密封圈。若大于60MPa的區(qū)域無法形成一個(gè)完整的封閉圓環(huán)，則需要對(duì)氣缸墊片進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)觀察可知，案例中的氣缸墊片缸口筋處密封壓力只有少部分區(qū)域小于60MPa，而大于60MPa的藍(lán)色區(qū)域可以形成一個(gè)完整密封圓環(huán)，所以滿足主機(jī)廠對(duì)這款發(fā)動(dòng)機(jī)的密封要求。調(diào)整比例尺后的密封性能檢驗(yàn)云圖，如圖7所示。

圖7 密封性能檢驗(yàn)Fig.7 Sealing Performance Test

5 結(jié)論

以某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為例對(duì)其金屬氣缸墊的密封性能的有限元分析進(jìn)行了深入的研究，在分析過程中考慮其材料以及接觸對(duì)以及大變形等非線性因素對(duì)分析結(jié)果的影響。通過試驗(yàn)與實(shí)際結(jié)果相對(duì)比發(fā)現(xiàn)考慮非線性因素可以得到精度較高的結(jié)果。同時(shí)提出了一種對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊片進(jìn)行簡(jiǎn)化的分析方法，這種方法在滿足精度要求的同時(shí)可以有效降低計(jì)算成本，提高產(chǎn)品研發(fā)效率。并在最后對(duì)所選氣缸墊片的密封性能做了檢驗(yàn)，得出所選氣缸墊片滿足主機(jī)廠的密封要求。由于本次研究的方法體系可被同類其他產(chǎn)品所借鑒，因此對(duì)其他產(chǎn)品密封性能的研究也具有重要的意義。