Abaqus有限元软件在活塞发动机气缸体强度计算中的应用

2017-09-20刘玉慧中航工业南京轻型航空动力有限公司

科学中国人 2017年21期

刘玉慧中航工业南京轻型航空动力有限公司

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气缸体是发动机的基础零件和骨架，由于其结构和工作受力情况复杂，用常规的方法无法对其进行准确的受力分析。针对某型活塞发动机在试验时气缸体断裂的事故，采用有限元数值计算方法，应用Abaqus有限元软件，对其在工作载荷下的静强度进行了分析，并根据计算结果对气缸体进行了结构优化，优化后的方案得到了台架试验的验证。

气缸体；有限元；强度

1、前言

气缸体是发动机的基础零件和骨架，通过它把发动机的曲柄连杆机构（包括活塞、连杆、曲轴、飞轮等零件）和配气机构（包括缸盖、凸轮轴等）以及供油、润滑、冷却等机构连接成一个整体。气缸体工作在高载荷、磨损剧烈的条件下，承受较大的压力，受力复杂，作用在缸盖上的燃气压力通过缸盖螺栓传递到缸体上，作用在活塞上的气缸压力产生了活塞向缸控右侧的侧压力，此力以曲轴中心为支点，产生气缸体的侧翻力，曲轴的曲柄、连杆轴颈、连杆大头的离心力作用对各主轴承孔盖形成了弯矩，气缸体承受弯矩。气缸体结构复杂、壁厚差悬殊，易出现应力集中现象，因此，缸体的可靠性是人们在发动机设计开发阶段要首先考虑的问题。

某型活塞发动机在开发试验阶段，气缸体出现了断裂事故。通过限元法对气缸体进行了详细分析，为缸体的优化设计提供了理论依据，并通过了台架试验的考核。有限元方法不仅节约了开发成本，还缩短了发动机的开发周期。

2、有限元分析

建立准确的数学模型是确保有限元数值模拟准确性的首要条件，包括有限元网格模型，边界和载荷条件，所建的模型应能如实反映结构的几何形状、材料特性、边界条件及承载情况等。特别是对复杂的工程问题作精细分析时，计算模型的建立至关重要。

2.1 结构及材料参数

采用软件UG完成气缸体三维实体模型。气缸体材料为ZL101A,热处理状态T6，抗拉强度为275MPa；气缸套材料为硼铸铁。

2.2 有限元模型

为了保证有限元计算的准确性，仅对计算精度影响较小的部分圆角进行适当简化，采用10节点四面体实体单元划分网格，对断裂处的结构进行了局部细化，划分网格后的单元总数为353212个，节点总数为670984个。

2.3 边界条件及载荷

计算时考虑气缸套与气缸体之间的过盈装配，过盈量为0.17mm；考虑温度载荷，气缸套均温160℃，气缸体均温120℃；考虑力学载荷，取气缸体爆发压力最大及活塞对缸体侧推力最大(曲轴转动10°)时作为工作载荷，其中最大爆发压力加载在缸体与缸盖之间连接螺栓位置处；侧推力加载在活塞裙部对应的缸体位置处，计算时不考虑缸盖与气缸体密封垫片的作用。计算载荷见表1。

约束气缸体与缸盖接触面的法向位移，约束螺栓孔的径向和轴向位移。

表1 计算载荷

2.4 变形及应力计算结果

气缸体在计算载荷下最大位移量为0.43mm。气缸体在计算载荷下的应力云图见图1，最大应力为828MPa，最大应力处由于受到螺栓孔约束的影响而产生较大的应力，此时该处的应力-应变关系已经不是线性关系，但由于有限元程序在计算时将结构变形当成弹性变形，因此该处的应力值不能反映真实情况，计算应力值大于真实值。不考虑螺栓孔位置处的应力，最大应力值为217MPa，最大应力位置为气缸体试验断裂处。