某柴油机缸体缸盖耦合分析

倪成鑫，路明，胡鹏翔



某柴油机缸体缸盖耦合分析

倪成鑫，路明，胡鹏翔

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

作为发动机的重要载体，对缸体缸盖进行耦合分析以确定是否满足设计要求是十分必要的。本文在分析过程中利用ABAQUS和AVL Fire软件完成流固耦合分析，耦合分析包括缸体缸盖等温度场分布、强度及高周疲劳安全系数分析，以及对缸垫性能及缸孔变形量等分析内容。

温度场；缸孔变形量；强度分析；ABAQUS

前言

中小型高速水冷内燃机的气缸体与缸盖通过螺栓安装成一体，总称为机体。机体是构成发动机的骨架，提供了发动机主要零部件和附件的安装位置，并为曲柄连杆等机构的运动件提供运动空间。

机体在工作时，受燃气压力以及活塞连杆系统以及其他附件系统的影响，机体承受拉伸、弯曲、扭转力，因此，机体要有足够的强度和刚度，以保证机体不变形，保证各配合间隙以及各运动件的运动精度以及各附件的安装精度，所以对缸体缸盖进行温度场分布、强度及高周疲劳安全系数分析，以及对缸垫性能及缸孔变形量等分析内容就变得尤为重要。

1 计算机模型及参数

在对某柴油机进行缸体缸盖耦合分析时，一般取缸盖、缸体、垫片、气门座圈、气门导管及缸盖螺栓作为分析模型。由于网格比较复杂，为保证计算收敛，需要对区域网格进行映射处理。使用Hypermesh对模型进行网格划分，单元类型缸垫采用GK3D12MN，其余采用C3D10M。温度场分析时单元类型缸垫采用DC3D15，实体单元采用DC3D4，面单元选择DS3，计算采用ABAQUS求解器。

在发动机冷态计算情况下，使用冷态一般可以分析发动机冷态条件下，发动机缸体的缸孔变形量及发动机缸垫油水筋及缸口筋的密封性能是否满足要求，缸垫及缸垫性能曲线如图2所示。

在计算发动机热态条件时，针对2900rpm/全负荷工况点进行了整个工作循环的模拟，分析需要CFD提供工作循环中近壁面的气体平均温度和换热系数壁面的气体平均温度和换热系数，为了较为准确的FEA热边界，如图3所示调整了喷雾和燃烧的部分模型参数。

图1 有限元分析模型

图2 缸垫及缸垫性能曲线

根据上述得到的边界条件，作为输入条件，在ABAQUS中建立分析步进行分析。分析步先按照装配条件，建立各个接触面的静态载荷：接触关系（过赢）及加载螺栓预紧力，然后分别加载各缸最大爆发压力，在计算缸体缸盖热应力时，还需要考虑在爆发压力对气门座圈及活塞两道气环的影响。边界条件设置时，为了尽可能不影响分析结果，取几个点作为约束使用，分别固定X、Y、Z方向。分析模型各零部件所用材料属性，如表1所示。

表1 材料属性

2 计算结果

为确保气缸垫在发动机工作过程中不产生泄露的情况，需要保证缸垫的油水筋及缸口筋在合理的压力范围内，且不发生分离的情况。在最小的螺栓预紧力的情况下，缸口筋大于45MPa，油水筋大于10MPa，均能满足要求。

表2 各缸缸孔变形量

傅里叶变换后，缸孔变形四阶标准为11.46微米，各缸四阶最大变形量分别为1#10.1微米，2#13.9微米，3#16.3微米，4#10.5微米，缸孔变形六阶标准为3.82微米，1#2.7微米，2#4.4微米，3#5.7微米，4#3.1微米。除了2、3缸四六阶缸孔变形量超出要求，其余几缸均可以满足要求。活塞环距离缸体10mm，取活塞形成下的缸孔最大变形量，2、3缸除六阶外均可以满足要求，如表2所示。

通过输入流体温度及传热系数，在ABAQUS中进行计算可以得出各零部件的温度场。缸体最大温度为216℃出现各缸孔之间，缸盖最高温度350~380℃出现在鼻梁区及靠近排气门附近位置，各缸温度均匀，回油道最高温度200℃小于机油炭化温度，温度未出现明显异常。进气门燃烧室侧温度300~540℃，排气门燃烧室侧温度500~670℃。各零部件温度均未超出材料限值，可以满足要求，如图3所示。

图3 各零部件温度场云图

通过提取上述温度场，对缸体缸盖的热应力计算，确保应力水平可以满足材料限值要求。提取应力结果进行高周疲劳计算，发现在缸盖水套根部圆角区域疲劳安全系数只有0.785，不能满足1.1最小疲劳安全系数的要求。为此，通过加大水套根部处的圆角大小，有效的降低了缸盖水套处应力集中的情况。从而，将最小疲劳安全系数提高到1.2，以满足要求。变更前后的缸盖疲劳安全系数，如图4所示。

图4 缸盖安全系数云图

3 结论

通过文章分析可知，不会发生冲缸垫的现象。缸孔变形量在6阶下，在2、3缸存在超标的情况，需要发动机后期进行机油耗试验以确定是否满足要求。各零部件的温度都在材料要求限值之内，缸盖油道温度在要求范围之内，不会因为过热而对机油造成碳化等影响。缸盖水套侧泡核沸腾裕度在要求范围之内，确保缸盖换热良好，不会在危险区域产生局部开锅。通过优化缸盖水套根部圆角区域可以提升缸盖疲劳安全系数，从而满足发动机要求。

[1] 路明,朱凌云.基于Abaqus的发动机缸体缸盖耦合仿真分析[J].计算机辅助工程,2013.

[2] 杨连生.内燃机设计[M].北京:中国农业机械出版社,1981.

[3] 杨万里,许敏.发动机缸盖耦合热应力分析[J].内燃机工程,2007.

The Cylinder Head Coupling FE Analysis Of A Diesel Engine

Ni Chengxin, Lu Ming, Hu Pengxiang

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601）

As an important carrier of engine, it is necessary to analyze the coupling of cylinder head to determine whether it meets the design requirements. Analysis in the process of using ABAQUS and AVL software Fire to complete fluid-structure coupling analysis, generally including cylinder block cylinder head temperature field distribution of coupling analysis, strength and high cycle fatigue safety coefficient analysis, as well as to the cylinder gasket performance and cylinder hole deformation analysis.

The temperature field; Bore deformation; Strength analysis; ABAQUS

U262.11

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1671-7988(2018)24-86-02

倪成鑫（1986-）男，助理工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心发动机设计研究院，研究方向为内燃机方向。

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1671-7988(2018)24-86-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.029