局部结构对气缸盖关键部位应力分布影响的研究*

胡定云　吴　波　魏志明　张全中　马军华（中国北方发动机研究所（天津）天津400300）

局部结构对气缸盖关键部位应力分布影响的研究*

胡定云吴波魏志明张全中马军华
（中国北方发动机研究所（天津）天津400300）

气缸盖的水腔及气道的铸造质量明显低于外壁，通常是气缸盖强度的薄弱部位，其应力主要是由机械负荷造成的。在有限元软件ANSYS中对局部结构强化前后的水腔及气道应力分布进行仿真计算。在机械载荷条件下，研究了气缸盖顶板加强筋及喷油器安装座孔局部结构对水腔及气道应力的影响。局部结构强化使水腔及气道危险点的应力都降低，水腔应力最高降低39.2%，气道应力最高降低36.1%。为气缸盖的结构优化提供参考依据。

气缸盖局部结构应力有限元分析

引言

气缸盖、气缸套及活塞共同组成内燃机的燃烧室。在内燃机工作过程中，气缸盖承受很大的机械负荷及热负荷，是内燃机中工作条件最为恶劣的零部件之一。气缸盖的强度可靠性问题一直是内燃机设计中的关键课题，而气缸盖水腔、进气道、排气道的铸造质量要明显低于外壁，因此气缸盖的水腔、进气道、排气道的强度可靠性基本决定了气缸盖的可靠性。本文通过有限元法研究了在机械载荷条件下气缸盖顶板加强筋及喷油器安装孔的局部结构对气缸盖水腔、进气道、排气道应力的影响［1-3］。

1　气缸盖结构特点简介

本文研究的内燃机气缸盖是4缸整体式的水冷铸铝气缸盖，采用4个气门，其中排气门和进气门各2个；每个气缸周围布置6根螺栓，其中4根为相邻缸共用；气缸盖顶板以喷油器安装孔为中心呈放射状的加强筋，各螺栓座孔之间有加强筋，图1为气缸盖的俯视图简图；气缸盖有上下两层水腔，喷油器安装孔从顶面连接至底板，图2为纵剖面简图。考察气缸盖顶板加强筋、喷油器安装孔局部结构对气缸盖关键部位的应力影响，因此对有无加强筋、喷油器安装孔是否与气缸盖地板连接不同气缸盖方案的应力进行有限元计算，具体方案见表1［4-5］。

图1　气缸盖俯视图

图2　气缸盖纵剖面视图

表1　气缸盖的结构方案

2　有限元模型的建立

气缸盖应力计算采用一个整缸带两个半缸的模型，通过有限元分析软件ANSYS建了气缸盖有限元分析网格模型。有限元网格模型采用四面体二次单元，为了准确地计算气缸盖的应力对网格模型进行收敛性分析，对气缸盖关键部位（水腔、进排气道等）分别采用5 mm、3 mm、2 mm进行网格划分并进行爆发工况计算得到不同尺寸网格的计算结果具体见表2，根据计算结果及计算成本最终选择水腔及气道采用2 mm的网格单元尺寸确立网格模型，具体网格模型见图3［6-7］。

表2　不同单元尺寸的应力计算结果

图3　气缸盖有限元分析网格模型

3　气缸盖局部结构对水腔应力影响

三种气缸盖方案的水腔应力分布基本一致，应力分布如图4所示。气缸盖水腔危险点1、2、3位于紧固螺栓座孔与水腔连接处的过渡圆角，危险点4位于进气道壁与水腔交接的过渡圆角，危险点5位于排气道壁与水腔交接的过渡圆角，具体见图5。预紧工况不同气缸盖结构方案水腔危险点应力对比见表3，爆发工况不同气缸盖结构方案水腔危险点应力对比见表4。由表3可知，喷油器安装局部结构强化使气缸盖水腔危险点3的应力降低最多，降幅为8 MPa（约11.3%），使水腔危险点应力平均下降6.1%；顶板加强筋使气缸盖水腔危险点2位置的应力降低最多，降幅为17MPa（约27.9%），使水腔危险点应力平均下降14.7%。由表4可知，爆发工况下，喷油器安装局部结构强化使气缸盖水腔危险点4的应力降低最多，降幅为29MPa（约39.2%），使水腔危险点应力平均下降11.9%；顶板加强筋使气缸盖水腔危险点2位置的应力降低最多，降幅为24 MPa（约23.1%），使水腔危险点应力平均下降16.8%。

4　气缸盖局部结构对气道应力影响

图4　水腔应力分布

图5　水腔危险区域位置示意图

表3　预紧工况下水腔危险点应力计算结果

表4　爆发工况下水腔危险点应力计算结果

三种气缸盖方案的气道应力分布基本一致，应力分布如图6和图7所示。危险点1、2、3位于进气道，危险点4、5、6位于排气道，具体如图8所示。预紧工况不同气缸盖结构方案气道危险点应力对比见表5，爆发工况不同气缸盖结构方案气道危险点应力对比见表6。由表5可知，预紧工况下，喷油器安装局部结构强化使气缸盖气道危险点2的应力降低最多，降幅为6 MPa（约10.5%），使气道危险点应力平均下降5.9%；顶板加强筋使气缸盖气道危险点4位置的应力降低最多，降幅为7 MPa（约15.6%），使气道危险点应力平均下降7.6%。由表6可知，爆发工况下，喷油器安装局部结构强化使气缸盖气道危险点2的应力降低最多，降幅为12 MPa（约14.6%），使气道危险点应力平均下降9%；顶板加强筋使气缸盖气道危险点6位置的应力降低最多，降幅为30 MPa（约36%），使气道危险点应力平均下降16.5%。

图6　进气道应力分布

图7　排气道应力分布

表5　预紧工况下气道危险点应力结果

图8　气道危险区域位置示意图

表6　爆发工况下气道危险点应力结果

5　结论

1）喷油器座孔局部结构强化和顶板加强筋都能降低气缸盖水腔及气道关键结构的应力，爆发工况降低的幅值大于预紧工况；

2）喷油器座孔局部结构强化和顶板加强筋都能降低气缸盖水腔及气道关键结构的应力，顶板加强筋的作用更显著。

1吴兆汉，汪长民.内燃机设计［M］.北京：北京理工大学出版社，1990

2陈传淼，黄云清.有限元高精度理论［M］.长沙：湖南科学技术出版社，1995

3胡定云，陈泽忠，温世杰，等.某柴油机气缸盖疲劳可靠性预测［J］.车用发动机，2008（增刊）：38-40

4刘金详.6114柴油机缸盖有限元结构分析［J］.内燃机学报，2004，22（4）：367-372

5张儒华，左正兴，廖日东，等.气缸盖中一些关键功能结构的承载机理研究［J］.内燃机学报，2004，22（3），280-287

6冯慧华，左正兴，谭建松，等.单元尺寸对内燃机模态计算精度的影响［J］.车用发动机，2002（1）：811

7陆际清，沈祖京，孔宪清，等.汽车发动机设计［M］.北京：清华大学出版社，1993

The Effect of Local Structure on Stress Distribution of Pivotal Part of Cylinder Head

Hu Dingyun，Wu Bo，Wei Zhiming，Zhang Quanzhong，Ma Junhua
China North Engine Research Institute（Tianjin）（Tianjin，400300，China）

The casting quality of water chamber and airway is markedly lower than the outer wall，belongs to the weak position of the cylinder head，the stress is mainly caused by mechanical load.The local structure before and after strengthening to the stress distribution of water chamber and airway was calculated in the finite element software ANSYS.Under mechanical load condition，the effect of local structure on stress distribution of water chamber and airway of cylinder head was studied.Local structure to strengthen the stress of water chamber and airway of the dangerous point is reduced，the stress of water chamber was reduced by 39.2%at most，the stress of airway was reduced by 36.1%at most.This provides reference basis for structure optimization of cylinder head.

Cylinder head，Partial structure，Stress，Finite element analysis

TK413

A

2095-8234（2015）04-0061-04

2015-04-06）

国家863基金项目（2012AA111709）。

胡定云（1982－），男，副研究员，本科，主要研究方向为发动机结构及可靠性研究。