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收稿日期：2008-05-05基金项目：辽宁省重大科技攻关资助项目（2004216010）良好的密封和强度一直是发动机整机可靠性问题中的主要矛盾之一。
较大的气缸盖螺栓预紧力能保证良好的密封性能，但同时给气缸盖及气缸垫带来了强度问题。
近些年，发动机不断强化，功率不断提高，发动机爆发压力不断增大，机体承受的负荷相应增加，过去常用的金属-石棉气缸垫已经不能适应发动机的燃烧压力和热负荷要求[1]。
2009年 工 程 图 学 学 报 2009 第2期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.2汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析史彦敏1， 李卫民2（1．辽宁石化职业技术学院，辽宁 锦州 121003； 2．辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）摘 要：研究和探讨了有限元分析理论和方法在汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构强度计算中的应用。
以通用有限元分析软件为平台，建立了三维CAD/CAE 应用软件集成系统，实现了从预紧工况到爆发工况的结构分析、稳态热分析和热-结构耦合分析。
关 键 词：计算机应用；组合结构；有限元分析；发动机气缸盖；气缸垫 中图分类号：TP 391文献标识码：A 文 章 编 号：1003-0158(2009)02-0023-07Finite Element Analysis for Composite Structure of Cylinder Head andCushion in Automobile EngineSHI Yan-min 1, LIWei-min 2 ( 1. Liaoning Petro-Technique College, Jinzhou Liaoning 121003, China;2. Mechanical and Automation Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001, China )Abstract: The application of finite element analysis theory and method in calculation ofstrength for composite structure of cylinder head and cushion in automobile engine is discussed. A 3D CAD/CAE integrated system is built based on the general finite element analysis software. The structure analysis, steady-state thermal analysis and thermo-structure coupling analysis are realized from pre-tightening to outburst operating mode.Key words: computer application; composite structure; finite element analysis; cylinder head; cylinder cushion采用新型的金属气缸垫可确保燃烧室的密封。
车用柴油机气缸体强度的有限元分析发表时间：2009-11-17 刘云来源：万方数据关键字：气缸体有限元子模型疲劳分析信息化应用调查我要找茬在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本采用Pro／E和HyperMesh对改进后的某车用柴油机气缸体进行了三维实体建模和网格划分，基于ABAQUS分析平台计算了改进后的机体应力分布情况；同时结合凸轮轴孔子模型，采用Fatigue软件进行高周疲劳分析。
计算结果表明：改进后凸轮轴孔处的疲劳安全系数均大于1．1，满足疲劳强度设计要求。
引言机体作为安置气缸和曲柄连杆机构以及其它辅助机构的主体骨架构件，承受着极为复杂的载荷，其刚度、强度以及动态特性对发动机的动力性、经济性和可靠性有着很大的影响。
随着欧Ⅲ、欧Ⅳ柴油机的研制和生产，不断提高的爆发压力和强化指标，对柴油机机体的刚度、强度和动力特性都提出了更加严格的要求。
有限元法作为一种通用的数值分析方法，是目前研究机体类复杂结构受力最为可靠和有效的方法。
本文采用有限元子模型技术及ABAQUS软件中的非线性接触分析模块，对改进后的某车用柴油机气缸体进行有限元强度分析，结合疲劳分析软件MSC．Fatigue重点考察凸轮轴孔子模型的疲劳安全强度，对改进措施进行分析和评价。
1 有限元模型的建立图1 机体有限元模型采用Pro／E和HyperMesh对该车用柴油机前三缸气缸体、框架、主轴瓦、凸轮轴瓦、主轴承螺栓等进行三维实体建模和网格划分。
为了保证有限元计算的准确性，仅对计算精度影响较小的螺钉孔和销钉孔进行适当简化，划分网格后的机体有限元模型如图1所示。
为重点考察改进后凸轮轴孔处的强度，取凸轮轴孔部位建立计算子模型，以获得较为精确的结果。
有限元模型采用10节点四面体单元，各零部件的单元数目和节点数目如表1所示。
表1 机体计算模型中各零件的单元数与节点数2 载荷与边界条件由于重点考察主轴承力对机体尤其是凸轮轴孔的影响，故对机体顶面节点进行约束。
基于有限元模拟的汽车汽缸头设计优化汽车发动机是现代汽车的核心组成部分之一，其组成要素众多且复杂。
汽车发动机通过对油进行喷射并通过高速旋转的活塞行驶，从而产生动力驱动汽车行驶。
在汽车发动机的所有部分中，汽缸头被认为是耗费最多能源的一部分，同时也是最容易受到损害的部分之一。
汽缸头的设计和制造技术会直接影响发动机性能、燃油效率和发动机寿命等方面。
新型汽车发动机要达到高性能、低能耗、低排放这样的诸多目标，需要采用先进的设计和制造技术。
有限元模拟技术能够提供更快、更准确的汽缸头设计方案，在汽车工程中的应用也越来越普遍。
有限元法（FEA）是一种数值分析计算方法，旨在通过对复杂结构载荷、强度和振动等进行模拟分析来帮助设计师和工程师优化结构、提高性能、延长设备使用寿命等。
有限元分析技术能够有效模拟汽缸头的受力情况，实现适当的优化设计。
汽缸头通常由两个部分组成：缸体和气门机构。
汽缸头的缸体是一个很重要的部分，因为它决定了空燃比（AFR）和压缩比（CR）。
气门机构则包括气门、和气门驱动机构。
这些部分的组合可以影响汽车发动机的燃油效率、输出动力、排放水平和可靠性等性能指标。
为此，汽缸头的设计需要从多个角度考虑。
为了优化这些性能参数，有限元模拟技术能够对不同的设计方案进行研究，提供优化方案。
首先，作为缸体的一个关键组成部分，汽缸头的壁厚是影响发动机安全可靠性的决定性因素之一。
在进行汽缸头设计时，需要考虑其输油、散热、保温等方面的性能。
使用有限元分析技术，可以对材料桶和油门机构进行专业的力学分析操作，确定汽缸头的极限负载情况，从而确保汽缸头的强度和稳定性。
同时，可以选择更轻薄且高强度坚固的材料，来减轻汽车发动机的自重，提高整车燃油效率。
其次，气门机构是另一个重要的设计方面。
通过使用有限元分析技术，可以在汽缸头设计中考虑气门的动力特性，例如惯性、罗茨转矩和多向倾斜等因素。
对这些设计参数的分析有助于更好地管理气门运动的流量特性，从而在汽车发动机的最高转速下获得最佳的性能水平。
发动机缸体有限元分析及优化设计摘要：发动机缸体结构复杂，壁厚差大，容易出现应力集中现象，因此在设计阶段对缸体结构进行优化设计具有重要意义。
本文论述了发动机缸体有限元分析及其优化设计。
关键词：发动机缸体；有限元分析；优化设计发动机是汽车的动力装置，其性能直接影响汽车的使用性能。
根据发动机的发展，对发动机的设计提出了两个要求：即油品的适应性强及尽可能降低缸体振动。
因此，有必要运用理论分析方法对发动机缸体进行分析计算，为设计制造出更稳定、体积更小的的发动机缸体做出基础性研究。
一、发动机缸体简介发动机是一种能把其它形式的能转化为机械能的机器,它既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器。
发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。
而缸体是发动机的五大部件之一，是发动机安装所有零件的基础。
发动机通过缸体将发动机的曲柄连杆机构和配气机构，以及供油、润滑、冷却等机构联接为一个整体。
此外，发动机缸体的材质一般为灰铁。
因缸体工作环境潮湿，且高温、高载荷、摩擦剧烈，所以要求缸体具有高强度、高硬度、高耐磨性及良好的散热性，而灰铁能满足高强度和硬度及高耐磨性等要求，而且工艺性能、减振性、切削加工性能优良，同时成本较低，缺点是重量较大。
所以现在越来越多缸体采用铝合金材料，因其能减轻缸体的重量。
二、有限元法概述有限元法也称为有限单元法或有限元素法,基本思想是将求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合体,寻求物理场的数值解。
它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。
传统的产品生产过程首先有专家依据经验初步设计出产品,然后据此做出模型,再做出成品。
成品完成后,再进行试验,对设计上的问题进行修改。
进行重新设计、制造、试验分析。
这不但耗费大量的时间,还耗费了大量的人力及物力。
计算机的发展和广泛应用改变了这种状况,提高了产品开发、设计、分析和制造的效率及产品性能。
3.4 Patran分析的基本理论3.4.1 Patran分析的三个基本阶段本文以带加强筋的S型弧面板弹簧作为研究对象，以MSC. PATRAN/NASTRAN为建模和计算工具，对其整体结构进行有限元分析，得到在各种工况下较为精确的应力及位移情况。
MSC.Patran有限元软件在解决静力问题时的三个基本阶段：（1）前处理：读入或创建几何模型，设定材料和单元属性，施加载荷以及边界条件，进行有限元网格的划分。
Patran软件能自动地划分大部分有限元网格，但必须提供相应的指令和设置参数。
前处理过程中，每进行下一步操作前，都必须确保输入数据的正确性。
（2）数值分析：软件自动生成描述单元性能的矩阵，并把这些矩阵组合成表示有限元结构的大型矩阵方程，然后进行求解，得到每个节点上的场量值。
（3）后处理：有限元解和由它得到的数值被列出来或者用图示的形式显示出来。
Patran后处理过程中除了列出或显示的变量外，其他操作都是自动的。
在应力分析中，典型的显示包括动画、等值线、X-Y曲线图、云纹图等后处理功能。
3.4.2 Patran分析的一般流程Patran建模和分析的一般流程，归纳如图3-2所示。
图3-2静力分析流程图3.5板弹簧静载有限元模拟过程3.5.1单位制的选择在有限元分析之前，首先要选择一套封闭的单位制，否则无法得到准确的结果，失去应有的意义。
表3-1提供了PATRAN最常用的两套单位制。
表3-1两套常见的单位制本次分析选择的一套封闭的单位制为“mm，MPa，N”。
3.5.2分析解算器的确定在创建分析模型前，首先要确定分析的类型，再根据所要进行的分析类型选用合适的解算器。
MSC.PATRAN/NASTRAN软件提供了多种解算器，如ABAQUS、ANSYS 5、MSC.Marc、MSC.Nastran、MSC.Dytran、LS-DYNA3D等。
MSC.Nastran解算器是软件默认的解算器，本次模拟过程中也选用该解算器作为计算工具。
基于有限元方法的汽车发动机缸盖结构分析汽车发动机是汽车行驶的核心部件之一，而汽车发动机的性能与其各个零部件密切相关。
其中，汽车发动机的气缸盖作为发动机中的重要零部件之一，对于发动机的性能和可靠性起着至关重要的作用。
本文将通过基于有限元方法的汽车发动机气缸盖结构分析，探讨其设计和优化。
1. 汽车发动机气缸盖的功能及特点汽车发动机的气缸盖是一个位于汽缸体上方的零件，其作用是封闭汽缸腔，承载气缸压力和温度变化，同时保证发动机的密封性和冷却效果。
由于汽车发动机工作时需要承受高温高压的工况，气缸盖的材料选择和结构设计至关重要。
2. 有限元方法在汽车发动机气缸盖结构分析中的应用有限元方法是一种常用的结构分析方法，适用于求解复杂的结构力学问题。
在汽车发动机气缸盖结构分析中，有限元方法可以通过建立三维模型、设置边界条件和加载条件等，得到不同工况下气缸盖的应力分布和变形情况。
这可以为气缸盖的设计和优化提供有力的依据。
3. 汽车发动机气缸盖的材料选择汽车发动机气缸盖的材料选择直接影响其性能和可靠性。
常见的气缸盖材料包括铸铁、铝合金等。
不同材料在强度、成本和重量等方面存在差异，因此需要根据具体要求和预算进行选择。
4. 汽车发动机气缸盖的结构设计与优化在气缸盖的结构设计与优化中，考虑到发动机工作时的热膨胀和热应力，需要合理选择结构形式和材料。
同时，还需要充分考虑到不同工况下气缸盖的应力分布和变形情况，以提高其强度和刚度，保证其工作的可靠性和稳定性。
5. 汽车发动机气缸盖的疲劳分析汽车发动机气缸盖在长期工作过程中容易产生疲劳问题，因此需要进行疲劳分析。
通过有限元方法建立疲劳分析模型，可以预测气缸盖的寿命，并通过优化设计和改善材料来延长其使用寿命。
综上所述，基于有限元方法的汽车发动机气缸盖结构分析是一项复杂而重要的工作。
通过对气缸盖的功能、特点、材料选择、结构设计与优化以及疲劳分析等方面进行综合考虑和分析，可以帮助汽车制造商和工程师更好地设计和改进发动机气缸盖，提高汽车发动机的性能和可靠性。
收稿日期:2007209211;修回日期:2007211220 作者简介:曹晓辉(1981—),男,江苏省海门市人,在读博士,研究方向为发动机CA E 设计;E 2mail :caoxh @ 。
干式气缸套机体气缸加强筋的有限元分析曹晓辉,姜树李,郭晨海,姚晓兰(江苏大学汽车学院,江苏镇江 212013) 摘要:应用Pro/E 三维造型软件和HyperMesh 有限元软件,建立了某柴油机组件的实体模型和有限元网格模型,并用Ansys 对该柴油机机体进行有限元分析。
以气缸套的变形和机体的缸套止口平面的变形作为评价指标,用统计的方法讨论了机体气缸加强筋的效果,发现该机体有气缸加强筋时,气缸套以及机体的缸套止口变形大,影响发动机密封性能,使机械效率下降,不利于排放,从而为该柴油机机体的改进设计提供了依据。
关键词:柴油机;机体;有限元分析;气缸套中图分类号:T K42214 文献标志码:B 文章编号:100122222(2007)0620039204 车用柴油机常用干式气缸套,为了加强各气缸之间的连接刚度,早期的多缸机常在各气缸之间、各缸与机体壁之间用直径10mm 的支撑加强筋连接,但也有不少国外干式气缸套机体不采用此结构。
支持设置加强筋的认为,这样可以加强气缸套的整体刚度,减小气缸套的变形;反对者认为发动机在工作时,气缸承受燃气压力和活塞侧压力的作用发生变形,若增加了加强筋,因气缸是薄壁套筒结构,在加筋部位变形量减小,其他部位会产生更大的扭曲变形[1]。
为了定量地讨论哪一种结构更为合理,对机体进行有限元分析,考察不同结构对气缸套的失圆度和机体的缸套止口平面的平面度的影响。
1 有限元模型111 模型的建立研究对象是某拖拉机用柴油机机体,加强筋结构见图1。
该3缸柴油机气缸的发火顺序为1—3—2,计算工况为最大扭矩工况,并假设第2缸处于发火状态[2]。
实体模型用Pro/E 进行三维精确造型,由于机体组件比较复杂,为了提高网格质量,保证计算精度,采用HyperMesh 软件进行预处理。
计算模型包括机体、气缸盖、气缸套、气缸垫、主轴承盖、飞轮壳、轴瓦、气缸盖螺栓和主轴承盖螺栓等[324](见图2)。
为了确定气缸体与机体间加强筋的效果,分别对有加强筋和无加强筋的机体组合件进行有限元分析。
在分析时采用非线性接触单元模拟各个零件之间的关系,考虑气缸套凸肩与机体的缸套止口,气缸套上平面、机体顶平面与气缸垫,气缸垫与气缸盖底平面,气缸套外圆柱面与机体气缸内圆柱面之间的接触。
图1 机体气缸加强筋图2 有限元模型112 位移边界条件根据实际情况,油底壳与拖拉机前轮支架相连,飞轮壳与后轮支架通过离合器相连。
因此在油底壳和飞轮壳上施加零位移约束。
113 力边界条件发动机运转时,主要受到螺栓预紧力、燃气压力以及运动部件的作用力。
本次计算不考虑活塞连杆机构,所以运动部件的作用力主要是活塞侧压力和曲轴支反力。
螺栓预紧力通过测试获得,测试结果第6期(总第172期)2007年12月车 用 发 动 机V EHICL E EN GIN E No.6(Serial No.172)Dec.2007为拧紧力矩,转化为预紧力加在螺栓上;燃气压力通过示功图计算得到;活塞侧压力和曲轴支反力可以通过曲柄连杆机构的动力学仿真获得。
114 温度边界条件本次计算还考虑温度的影响,由于无法进行温度场的测试,只根据有关资料和经验,粗略地确定了气缸套各个部位的温度,以热分析中的第1类边界条件加在各个节点上。
2 两种方案计算结果对比分析气缸体与机体间是否采用加强筋,主要看加强筋对气缸套和机体变形的影响。
本研究采用气缸套圆截面变形和机体的缸套止口的平面度2个指标来评价。
211 气缸套圆截面的变形21111 气缸套圆截面的变形整体分析图3和图4示出气缸套径向应变放大1000倍以后的视觉效果。
从图上看,两种方案变形趋势是一致的,缸套止口面以下变形后中间鼓起,两头稍平。
从变形量来看,有加强筋时最大径向正应变为0.001326,最大径向负应变为0.000285,折算成位移分别是0.05636mm 和0.01211mm ;无加强筋最大径向正应变为0.001324,最大径向负应变为0.000287,折算成位移分别是0.05627mm 和0.01220mm 。
正向应变最大值降低了0.151%,负应变最大值增加了0.702%。
这些数据没有排除加图3 有加强筋时缸套应变图4 无加强筋时缸套应变载所产生的应变奇异点,因此,不管有没有加强筋,总体变形是很小的。
通过对极值的分析,可以看出设置加强筋对气缸套应变影响不大,缸套最大的变化只有0.702%,且在有加强筋时缸套变形较大,因此,不应该设置加强筋。
极值不过只是个别点的情况,通过图3和图4也只能感性地认识缸套变形。
21112 气缸套截面变形的统计为了更好的评判气缸套的变形,在气缸套的内孔表面选取了6个径向截面进行分析比较,截面距顶端面分别为10mm ,28mm ,44mm ,73mm ,101mm 和130mm 。
在各截面上每隔715°选取一个点,因此,每个缸套有6组数据,每组数据又有48个应变值。
将两种方案缸套截面的数据绘在极坐标上,得到图5与图6。
图中是应变放大一定比例后所得到的值。
对各截面的48个应变数据求出最大值、最小值、平均值、方差和标准差(见表1)。
由图5和图6可以明显地看到截面2对应的曲线波动最大,其次是截面1,这主要是受螺栓预紧力和活塞侧压力的影响。
从表1的统计数据可以得到进一步证实,方差可衡量数据的波动大小,方差越大,说明数据的波动越大,表中截面2的方差比其他截面的方差大了很多,说明截面2变形波动最大;截图5 有加强筋缸套各截面变形图6 无加强筋缸套各截面变形・04・ 车 用 发 动 机 2007年第6期面1的方差处于第2位,大于其他4个截面数据。
表1 缸套截面应变数据统计截面截面1截面2截面3截面4截面5截面6有加强筋标准差/10-4 1.3441 3.52730.80010.58860.4695 1.0047最大值/10-49.934313.27109.457611.0900 5.91678.3269最小值/10-4 1.4945-6.1609 5.96367.8659 3.6595 5.4079平均值/10-4 5.31867.38117.52469.6234 4.6916 6.7893方差/10-8 4.333927.08940.78220.59070.33190.5859无加强筋标准差/10-4 2.0818 5.20480.88440.76860.57610.7654最大值/10-49.361813.51008.808710.9490 6.14988.3588最小值/10-4 1.3545-6.4456 6.04578.3609 3.5254 5.3558平均值/10-4 5.35067.28007.27539.5670 4.7131 6.8094方差/10-8 4.444027.40070.53290.43220.48420.6265 不管有无加强筋,截面2的波动在第2缸中最大,这是因为计算工况是第2缸处于发火状态,侧压力最大,而且其作用的中心位置在截面2附近,导致第2缸缸套第2截面变形波动增大。
21113 统计数据的对比分析由于第2缸缸套变形最大,用它作为研究对象,比较两种方案,评估加强筋对缸套的影响效果。
比较图5与图6,可以看到6个截面6条曲线的变化趋势完全一样,对应点的大小也差不多,可以直观地认为,有无加强筋对缸套变形影响不大。
要进一步确认,需详细分析表1中的数据。
・截面1:所有的应变都为正,可以根据平均值和方差来判断变形。
无加强筋比有加强筋时平均值增加了0.602%,方差增大了2.54%。
平均值增加表明没有加强筋时截面1变形变大,而方差增大说明变形波动变大,因此,没有加强筋时,截面1应变相对较差,不过变化很小,可以认为加强筋对截面1的变形影响很小。
・截面2:应变有正有负,不能根据平均值来判断变形大小,可根据极值来判断,平均值作为参考。
无加强筋时最大正应变增加了1.80%,最大负应变增加了4.62%,方差增大了1.15%。
说明无加强筋时截面2的变形增加,变形波动加剧。
・截面3:所有的应变都为正,无加强筋时平均值降低了3.31%,方差降低了31.9%。
因此,没有加强筋时,截面3变形减小,同时,方差大幅度减小,说明变形波动得到较好的改善。
・截面4:所有的应变都为正,无加强筋方案的平均值降低了0.586%,方差降低了26.8%。
因此,没有加强筋时,截面4变形减小,同时,方差大幅度减小,说明变形波动得到相对较好的改善。
・截面5:所有的应变都为正,根据平均值和方差来判断变形,无加强筋时平均值增加了0.458%,方差增加了45.9%。
因此,没有加强筋时,截面5变形加大,同时,方差大幅度增加,说明变形波动加剧。
・截面6:所有的应变都为正,根据平均值和方差来判断变形,无加强筋的方案平均值增加了0.300%,方差增加了6.92%。
因此,没有加强筋时,截面6变形加大,同时,方差增加,说明变形波动加剧。
从上面的分析可以看出,没有加强筋时截面3和截面4的径向应变有所改善,这主要是因为,加强筋加在第3和第4截面之间,它阻止了缸套的自由变形,去掉以后,缸套截面变形趋于一致,所以截面3和截面4应变会减小。
其他截面离加强筋较远,少了加强筋对变形的抑制作用,截面径向应变增加。
但不管变形是加大还是减小,所改变的数值和百分比都很小,有无加强筋对缸套应变影响不大。
从发动机的工作情况来看,第2缸处于爆发工况,活塞环处于截面2位置,而活塞销和活塞裙部,即导向面处于截面3与截面4之间,此时截面3、截面4的应变量减小,缸套的失圆度减小,对提高活塞的导向质量,增加机械效率,防止高压燃气窜入曲轴箱以及改善排放性能都有好处。
爆发工况时,活塞头部位于截面1和截面2位置,虽然去掉加强筋,截面1和截面2的应变略有增加,但由于头部直径较小,不会影响活塞的往复运动。
截面4的下部、截面5和截面6与活塞不接触,虽然去掉加强筋后截面5、截面6的应变略有增加,但对活塞的运动无影响,当活塞下行到截面4时,燃气压力已减小,相应截面5和截面6的应变也减小。
・14・2007年12月 曹晓辉,等:干式气缸套机体气缸加强筋的有限元分析 从变形波动的百分比来看,去掉加强筋后,截面3,截面4和截面5改变的相对比例很大,不过,绝对量非常小,比截面1和截面2小了一到两个数量级,而截面1和截面2波动百分比很小,所以有无加强筋对整个缸套变形波动影响也不大。
从气缸套圆截面的变形分析可以看出,加强筋效果并不好,尤其是对加强筋附近的缸套截面还会有负作用,使得变形更大。
