某柴油发动机缸孔变形分析及优化

项盼盼，曾小春，袁晓军，邹萍萍，林宇星，周 熹，郑朝升

(江铃汽车股份有限公司动力总成研究院，江西 南昌 330001)

0 引言

缸体是发动机的主体，是安装其他零部件和附件的支承骨架，缸体内设有冷却水套、润滑油道和其他孔道，结构较为复杂。在发动机工作时，缸体除承受螺栓预紧力和轴瓦过盈等装配载荷外，还受到缸内燃烧CFD(Computational Fluid Dynamics)的热负荷，缸体在这种热载荷作用下缸孔热变形较大。随着发动机性能水平日益提升，其燃烧爆发压力越来越高，对缸孔变形也是一个极大的考验。如果缸孔变形过大，气缸孔和主轴承孔失圆，甚至使气缸轴线和曲轴中心线不垂直，各个主轴承不同轴，导致它们相互之间正确的配合关系被破坏，加速零件的磨损甚至破坏，或造成漏水、漏气、漏油等故障。因此，在缸体设计过程中必须考虑缸孔变形及磨损情况，评估其变形量是否满足设计要求，保证发动机安全可靠的运行。目前国内也有相当多的企业和高校对缸孔变形展开了研究工作，并获得了一定的成果[1-2]。

在计算结构强度时，CAE有着独特的优势。缸体、缸盖的设计要有足够的刚度和强度，成功的缸体、缸盖设计，其工作应力应该比较小，变形及振动较小，以保证内燃机能够长期可靠的工作[3]。

内燃机工作时，缸体、缸盖受到燃气爆发压力、螺栓预紧力、气门座圈过盈力和气门落座力的作用。此外，缸体、缸盖各部分的温度梯度大，会产生很大的热应力，这也是缸体、缸盖设计时应重点考虑的问题。缸孔变形分析分别从冷态装配下的变形及热态装配下的变形情况来评估。分析流程图如图1所示。

图1 缸体缸盖一体化分析流程

本文采用CFD(Computational Fluid Dynamics)与有限元FEA(Finite Element Analysis)耦合技术，评估及优化缸体缸孔变形情况，对变形较大区域进行了针对性的结构优化，有效改善了缸孔变形情况。

1 缸孔变形分析技术路线

缸体缸孔变形分析主要涉及流体力学、有限元两大模块，分析流程如图1所示。首先需要收集发动机主要参数和三维数模，然后对各零部件进行网格划分；若有限元模型采用流体力学载荷则需在AVL FIRE软件中进行3D CFD缸内燃烧分析及3D水套冷却分析，通过面网格映射功能把缸内燃烧表面及缸内水套表面的CFD载荷映射到有限元模型中。若不进行流体力学分析，有限元模型则采用简化计算的载荷进行计算。本文分析采用流体力学分析载荷进行分析计算。有限元温度场模型搭建完后，在ABAQUS软件中进行温度场分析，通过温度场分析可以得到缸体缸盖、缸体缸盖水套、气门、气门座圈及导管等的温度分布。然后用温度场的计算结果作为应力分析的边界，在ABAQUS中搭建应力场模型，可以得到缸体缸盖及缸垫等零部件的应力分布情况。缸体缸孔变形的评估是将应力场数据导入到Altair公司的Simlab软件中进行相应的后处理，得到缸孔周向及径向变形轮廓，以及各阶次变形轮廓及变形量，对各阶次变形量进行评价。本文主要对缸体缸孔变形的评估和优化进行了详细的分析说明。

2 分析模型及边界载荷

2.1 有限元模型

缸体缸盖一体化分析模型主要包括缸体、缸盖、主轴承盖、缸盖螺栓、气门、气门座圈及气门导管等，如图2所示。温度场网格类型采用一阶四面体网格，应力场网格模型采用二阶四面体网格。模型中缸孔是分析主要对象，因此在网格处理时可以进行细化处理。

图2 缸体缸盖一体化分析CAE模型

2.2 CFD载荷计算及映射

本文通过流体动力学分析获得缸内燃烧及缸内冷却的CFD边界，流体力学分析模型如图3、图4所示。计算了发动机额定工况下的缸内燃烧及冷却边界，图5、图6为额定工况缸内燃烧及缸内冷却水套温度及换热系数分布情况，从图中可知，缸盖火力面鼻梁区温度较高，排气侧较进气侧温度高；缸体水套第一缸换热系数较低，缸盖水套第四缸换热系数较低。该结果将通过ABAQUS软件映射到表面有限元网格上。

图3 缸内燃烧分析模型

图4 缸内冷却水套分析模型

图5 额定工况缸内燃烧边界

图6 额定工况缸内冷却边界

缸体缸盖主要受力有：螺栓预紧力、气门座圈及导管过盈、缸内燃烧温度热载荷以及缸内水套冷却。本文分析缸体缸盖一体化的缸内热边界均来自3D CDF分析，各载荷的加载顺序如表1所示。

表1 应力计算工况表

3 缸孔变形评估

缸体缸孔变形使用HYPWEWORKS软件中的SIMLAB模块进行后处理。缸孔纵向变形影响活塞与缸体之间的配合间隙和工作情况，如果变形太大对活塞的运动不利，可能导致拉缸等不良现象。纵向变形是否合理，可以通过活塞二阶运动仿真分析评估。一般来说，缸孔冷态安装变形越小越好，不同厂家评价标准不同。

缸孔变形直接影响活塞的运动和整机机油消耗指标。工程中一般通过傅立叶技术来描述和评估。傅立叶技术分析中，第i谐次幅值系数Umaxi系通过以下定义描述：

ΔR=A0+A1cosφ+A2cos2φ+…+Aicosiφ+B1sinφ+B2sin2φ+…+Bisiniφ

(1)

式中，Ai，Bi为傅立叶系数，i为谐次数。

(2)

(3)

Umaxi即为第i谐次幅值，工程实际问题中，一般关注二到六阶幅值，前六阶变形如图7所示[4]。

图7 傅立叶分析各阶变形图

缸孔变形后处理结果显示，第一缸缸孔在热态下3阶变形超出评价标准20 μm，不满足设计要求，需要对其进行优化。

4 水套优化

根据分析结果，缸孔中部热变形较大的主要原因是缸孔表面温度不均匀，为改善缸孔热变形，对水套进行了优化。如图9所示，水套向下加深了近40 mm，同时为保证缸体刚度，对其进行了相应的结构加强。

图8 第一缸缸孔热态下各阶变形量

图9 缸体水套优化

将设计优化后的数模重新进行网格划分，重新进行水套冷却分析，用新的缸内冷却边界，开始新的一轮有限元分析。分析结果如图10所示，第一缸缸孔变形得到明显改善。

图10 优化后一缸缸孔热态下各阶变形量

5 结论

1)通过流体力学分析发动机额定工况缸内燃烧及水套冷却边界载荷，进行缸体缸盖一体化分析，进而得到缸孔变形，结果显示第一缸缸孔热态下变形过大。

2)根据分析结果得出，变形较大的原因是该处温度梯度较大，从而对水套进行优化，以改善温度均

匀性进而改善缸孔热态下的变形，优化后的缸孔变形得到明显改善。

3)本文采用的CFD-FEA耦合分析方法可以准确得到缸孔热态下的变形情况，为优化缸体结构、改善缸孔变形提供了参考和借鉴。