汽车发动机缸体轻量化分析

摘 要：文章以汽车发动机缸体为研究对象，从轻量化材料角度出发，对发动机缸体进行建模和网格划分，并在ANSYS软件中，对发动机缸体赋予HT250灰铸铁材料和6111铝合金材料，进行静力学分析和模态分析，通过对比分析，发现使用6111铝合金材料可以达到轻量化效果。

关键词：发动机缸体 轻量化材料 6111铝合金

自2020年双碳战略目标的提出，各行业要共同努力使二氧化碳的排放量降低，旨在实现我国经济高质量的发展和促进人类生态环境的改善。对于汽车工业而言，减少整车燃料消耗，减少汽车发动机工作过程中有害气体的产生，降低空气中污染颗粒物的浓度，有利于双碳战略目标的实现。据研究表明，对于汽车，若它的整体重量每降低10%，则综合行驶油耗会相应地减少8%-10%，二氧化碳排放量则会降低10%[1]。由此可见，轻量化对于汽车性能的提升及双碳战略目标的实现，是一条有效的路径。

汽车的轻量化是指在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃油消耗，降低排气污染。汽车若要实现轻量化，可从三方面着手，分别是结构轻量化、工艺轻量化以及材料轻量化[2]。发动机是汽车动力的核心，发动机在气缸产生的能量通过活塞带动曲柄连杆机构等传动装置从而带动汽车运动。气缸也是把燃料化学能转换为车辆动力的地方，在动力发生设备以及包含动力装置在内的机器上均能应用。而缸体又是发动机五大部分之一，它通过其他机构和零件联接成一个整体。它是发动机全部零件安装的基础。在现代轿车中，发动机缸体主要用于承载发动机所需重量和承受载荷，并对其进行保护和密封，以保证发动机的正常工作。

本文以汽车发动机缸体为研究目标，从材料轻量化角度入手，选择HT250灰铸铁和6111铝合金两种材料，使用CATIA三维绘图软件绘制发动机缸体的模型，并导入ANSYS软件中。在ANSYS软件中，首先，对发动机缸体材料进行材料属性选择，划分网格，施加约束及载荷，分析这两种发动机缸体材料的应力、应变情况，然后分别进行模态分析，分析这两种材料对应的发动机各阶固有频率，并进行相应的模态分析。本着轻量化的目标，在满足设计要求的前提下，对发动机缸体进行材料轻量化分析。

1 发动机缸体的有限元分析

1.1 发动机缸体模型的建立

1.1.1 发动机缸体模型简化

本q5256FUqtQsSjtE4woJICw==文对一种四缸发动机的缸体结构进行了研究。在有限元模型的构建中，缸体的结构特征在理论上应该进行详尽的描述以便更准确地分析，但是因为建模过程过于复杂而产生了计算上的问题，所以需要将缸体模型简化。通过大量试验和仿真验证表明，采用等效单元法可以方便地应用于发动机缸体结构的建模过程中。简化是以省略一些无关紧要的成分或保留占有主导地位的成分为准则[3]。除其他外，应考虑如下：

（1）忽视某些局部特征。如缸体的小螺栓孔、凸台和油道等对发动机的作用影响不大。但这种细小的孔洞和在网格划分中的单元数量非常少，但它会造成模型单位数量的急剧增长，并且在研究中所需要的费用的倍增。

（2）简化的局部细节。例如缸体部分铸造而成的大圆角设计可简化，但在气缸内增强筋时、凹槽和结合处的圆角设计仍对内部应力分配有重要影响，在建模中仍应予以考虑。

（3）大螺栓孔的加工。忽略了孔状构造的，原应保留的螺钉孔用圆孔替代，如缸盖螺栓孔。

在三维软件CATIA中构建了四缸发动机缸体简化模型，发动机缸体的长度为460mm，高度为210mm，每个孔的直径是90mm，如图1所示。然后将三维实体模型以格式导出。

1.1.2 发动机缸体网格划分

将类型的发动机缸体模型文件导入ANSYS有限元软件进行网格划分，并且进行几何修复与几何特征简化操作，通过几何清理操作对错误及不符合的线面及缺失元素进行修复。为了比较发动机常用的缸体材料HT250和本文选择的轻量化材料铝合金，由这两种材料铸造的发动机缸体的强度、刚度等，分别对该模型进行静力学分析与模态分析，然后求解后通过后处理进行分析，两种材料参数如表1所示。

网格划分首先要考虑网格尺寸，网格太大造成计算精度不够，网格太细造成计算资源耗费太大。为此，本文使用了ANSYS软件智能网格分析，对汽车发动机的缸体模型实行了网格分析。智能网格应用于复杂建模的直接分离，能够避免在将模型各个部分的网格划分后再加以组合时可能导致的失配。通过改变网格密度和增加结点数来提高计算效率。在此基础上进行了同一工况下缸体应力分析。划分网格的缸体有限元模型如图2所示。该模型由74144单元和16963节点组成。

2 发动机缸体静力学分析

本节主要是对HT250灰铸铁发动机缸体和6111铝合金发动机缸体分别进行静力学分析，为模拟其工作状态，施加的主要约束是固定气缸体的底部、施加的主要载荷分别位于1、3气缸内的内表面。在ANSYS软件中对气缸施加约束载荷，得到的发动机缸体约束工况模型，如图3所示。将上述的有限元模型进行仿真，计算机经过求解之后得到的发动机缸体的静力分析结果，从ANSYS软件中的求解结果不容易观察，因此可以再通过后处理得到相应的应力云图、应变云图。

2.1 HT250灰铸铁发动机缸体静力学分析

首先是应力云图，从图4中可以看出HT250灰铸铁材料模拟的发动机缸体正常工作时，应力集中在1、3气缸底部。其中最大应力为4.662MPa，而一般金属材料的最大屈服极限为250MPa，因此可以推断出HT250灰铸铁材料的发动机气缸完全可以满足更多工况下对刚度、强度的要求。然后是应变云图，如图5所示，其最大应变为，可以忽略不计，因此完全满足刚度要求，符合设计标准。

2.2 6111铝合金发动机缸体静力学分析

首先是应力云图，从图6中可以看出6111铝合金材料模拟的发动机缸体正常工作时，应力集中在1、3气缸底部。由图可知，气缸体的最大应力为3.827MPa，而一般金属材料的最大屈服极限为276MPa，可以推断出6111铝合金材料的发动机气缸完全可以满足更多工况下对刚度、强度的要求。然后是应变云图，从图7中可以看出最大应变为4.063×10-3mm，可以忽略不计，同样符合设计标准。

2.3 发动机缸体静力学分析对比

气缸向1、3面施加压力时，在其内部会形成应力分配不均情况，在接近边界的部分形成了应力聚集现象，这是由于近边界部的二垂直面交界，表面上生成了变化，引起内部应力突变，从而形成了应力聚集，形成危险点，在实际工作中应加入小圆角设计以减少应力聚集对气缸的危害。因为缸体1、3内部的受力，导致缸体2、4表层受到挤出而生成的变化，从而导致沿圆心连接方向孔径变小了。这是由于缸体2、4内表层接受了来自缸体1、3内表层的不平衡的挤压应力的缘故，模拟结论满足了现实的物理学过程。

经对比两种材料在施加同种约束条件、压力载荷下的情况下，可以看出6111铝合金所受应力最小，两种材料其应变均符合刚度要求，可忽略不计。因此可以推断出若6111铝合金作为发动机缸体的铸造材料，要比HT250灰铸铁更好。

3 发动机缸体模态分析

模态分析主要是指通过对构件进行的振动特征分析，也就是通过振动特征判断固有频率和振型。发动机气缸流场分布状况直接影响着发动机的动力特性。气缸内气体燃烧的波动性将导致燃油室温度或发动机气缸内压强的波动，这就将形成对发动机气缸振动的激励力，而对发动机气缸的震动则将导致推进剂燃烧产生较大的震荡，由此就可以使发动机出现工作故障，对发动机气缸进行模态分析也是对缸体进行优化设计的必要前提。对发动机缸体模态进行分析时，按照边界要求的差异，分成了独立模式分析方法和约束模式分析方法。本文中使用了自由模态分析方法，对发动机缸体模态的计算仅仅是前六阶，其中展示第一阶的模态振型图，如图8、9所示。

3.1 HT250灰铸铁、6111铝合金发动机缸体模态分析

结构的振动特性决定了结构对各种载荷不同压力的反应能力，从各阶模态振型图得知，各阶对应的振动频率值均满足要求。但由于缸体内进气、压缩、燃烧、排气四种冲程的交替进行，气缸内产生不稳定气压使缸体发生一定程度的震动，图中红色显示震动中最大应变区域，最大应变发生在每个尖点上，红色部分代表危险点。

发动机缸体的前六阶振动频率值，如表2所示。

一般情况下，大多数路况的路面激振频率低于25Hz，汽车发动机激振频率区间为66Hz～83Hz，HT250灰铸铁材料和6111系铝合金材料的一阶频率高于此激振区间，综上两种缸体均不会与路面或发动机产生共振，但6111系铝合金材料下缸体模态振型更高，相对优于HT250灰铸铁材料。

4 总结

本论文借助在ANSYS软件中，通过对发动机缸体模型的HT250灰铸铁材料、6111铝合金材料两种材料，分别进行静力学分析和模态分析，得出了6111铝合金材料作为发动机缸体替代材料的可行性。在CAE分析过程中还发现一些问题，如三维模型太过简单、进行静力学分析不够深入等问题，因此需要进一步改进和完善。

参考文献：

[1]王立新，袁峰．汽车发动机轻量化解决方案研究[J].中国汽车，2022，360（03）：4-10.

[2]马图鸣.汽车轻量化材料及相关技术的研究进展[J].新材料产业，2006（6）：37-42．

[3]倪建华.基于ANSYS的发动机缸体模态分析[J].科技创新与应用，2017（4）：14-15．