发动机部件强度和刚度评价及疲劳分析

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1、发动机部件强度和刚度评价及疲劳分析作者：李相旺李欣张志明黄风琴尹曼莉摘要：某汽油机开发阶段须対发动机各主要部件结构强度和刚度做全面评价，并且须考核缸盖缸体的高周疲劳性能•基于STARCCM+计算出水套内部气体温度和对流换热系数，将其映射到水套有限元网格表iflj上作为温度边界条件.得到整个机体的温度场分布以后，在考虑各部件接触非线性的基础上，得到机体各部件的应力和变形等结果并进行评价•在有限元分析结果的基础上考虑材料温度非线性，考察缸体缸盖疲劳安全因数.结果表明，缸盖局部应力偏大，下缸体与油底壳接触面局部间隙过大，缸休缸盖疲劳安全性能满足耍求.关键词：汽油机

2、；缸盖；缸体；强度；刚度；疲劳；非线性；有限元法中图分类号：U464.1文献标志码：B0引言在发动机设计开发过程小，通过CAE模拟计算考察气缸盖与气缸体等亜要零部件的强度、刚度以及耐久性和疲劳特性等，可以为发动机机体各部件开发、优化设计提供依据，并大大缩短开发周期，避免物理样机出來后产生严重的质量问题.国内外已经有一些公司采用CAE软件模拟发动机工作中的实际工况，以考察发动机各零部件的可靠性和耐久性.[1]本文先建立发动机机体主要部件的有限元模型，在考虑各部件接触非线性的基础上基于Abaqus计算得到各部件的应力、变形结果，并就关心的结果进行评价分析；然后在

3、有限元分析结果的基础上，考虑材料温度非线性，考察缸体缸盖疲劳安全因数.1有限元模型1.1模型说明分析对象为纵置直列四缸发动机，有限元模型见图1•模型包括缸盖、缸体、缸犁、下缸体、油底壳、简化变速器和各关键螺栓等，其屮，缸热、燃烧室、火花塞和各部件接触区域均采用六血休单元，其余部分采用四血休单元.六血体单元数为290000个，总单元数为1130000个，总节点数为446000个.图1整机令限元模型1.2边界条件和载荷1.2.1热边界条件在发动机工作过程中，缸盖和缸体水套中冷却液的流动带走大部分热量.应用CFD软件STARCCM+计算出水套内部气体温度和对流换热

4、系数，然后将其映射到水套有限元网格表而上作为温度边界条件；燃烧室、进排气道、进排气阀座和上下缸体等根据经验和己有的试验数据，赋予温度和对流换热系数值.1.2.2位移边界条件约束进气侧悬置点x,y和z等3个方向平动口由度，约束排气侧悬置点y和刁等2个方向平动口由度，约束变速器端血z方向平动自由度.1.2.3接触边界条件在两两相互接触的部件Z间建立接触对.如缸盖与缸梨、缸建不同层之间、缸犁与缸体、缸体与下缸体、下缸体与油底壳、主轴瓦与上下缸体以及主轴瓦之间等都需建立接触，并H在接触时设定冷装配工况下实际的间隙和过盈量.1.2.4载荷和分析工况载荷包括螺栓预紧力、

5、主轴承座力以及热负荷筹.在计算热应力时采用顺序耦合分析方法，即先计算得到整个机体的温度场分布，然后将该温度场作为强度计算的热负荷输入.强度计算时定义3个分析工况：工况1为冷装配工况，工况2为在冷装配棊础上导入热负荷,工况3则是在前二者基础上施加二缸做功时各主轴承座载荷.2计算结果分析2.1温度场分析整机温度场分布见图2,英中，最高温度在二缸缸套处.图2整机温度场分布缸盖温度场分布见图3,温度最高处在二缸排气阀座处.图3缸盖温度场分布缸体温度场分布见图4,温度最高处在两缸之间.缸套为铸铁材料，其许用温度为300°C,缸体和缸盖为铝合金材料，其许用温度为255°

6、C.各部件的故高温度均耒超过材料的许用温度.图1缸体温度场分布2.2结构分析在进行结构分析时，发动机缸盖缸体温度都比较高，应考虑其材料的温度非线性效应.缸盖的最人主应力场分布见图5,图中，二缸与三缸间缸盖螺栓附近区域1和2位置最人主应力偏高，但绝对值未超过常温下的抗拉极限值200MPa,建议增大区域1和2处圆角，并适当光滑.图5缸盖应力场分布缸体的最大主应力场分布见图6.缸体最大主应力远小于其抗拉强度极限，其强度满足要求.另外，卜缸体、汕底売的最人主应力均远小于其抗拉强度极限，强度均满足要求.图6缸体应力场分布2.3接触开度分析为防止漏汕、漏水和漏气，须考察

7、各接触而的密封性，即对各接触而的接触开度进行检查.下缸体与汕底売接触开度分布见图7,下缸体和汕底壳在靠近变速器侧4个螺栓孔附近间隙较大，须与密封胶供应商确认密封胶能否弥补该间隙值.图7下缸体与油底壳接触开度分布2.4缸套径向变形缸套径向变形是发动机整机分析中的重要评价指标之一•缸套径向变形的评价指标是活塞环各阶次的顺应性系数，即考察缸套变形与活塞环变形的顺应程度.沿缸套高度方向取不同截面，可以得到不同截面的径向变形(失恻度变形).缸套2阶、3阶和4阶变形示意见图8.(a)2阶(b)3阶(c)4阶图8缸套2阶、3阶和4阶变形示意这些不同阶次的变形是通过将总变形

8、值进行傅里叶变换后得到的.0阶变形表示热膨胀的同心变