基于有限元求解的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連接結(jié)構(gòu)分析研究

趙建寧

摘要：針對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)部對材料的超高要求，采用有限元分析方法對發(fā)動(dòng)機(jī)連接結(jié)構(gòu)中的熱障涂層溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行分析，并分析了比較典型的L圓角連接結(jié)構(gòu)的溫度場。結(jié)果表明，zrO2-NicrAlY層具有良好的溫度應(yīng)變性能，并隨著溫度加熱，其溫度場降低，基本能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的性能要求。同時(shí)將有限元方法應(yīng)用到L型連接結(jié)構(gòu)中，得到在過渡區(qū)具有較大的溫度場。由此通過以上的分析，闡述了連接結(jié)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的相關(guān)溫度和應(yīng)力變化情況，為后續(xù)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件涉及提供了參考。

關(guān)鍵詞：有限元;汽車發(fā)動(dòng)機(jī);連接結(jié)構(gòu);熱障涂層

中圖分類號：T0050.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）09-0081-04

在機(jī)械設(shè)計(jì)制造、土木建筑、材料加工等諸多領(lǐng)域中，有限元分析被廣泛應(yīng)用于來解決復(fù)雜工程分析問題。有限元分析能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)制造方案，有效提升機(jī)械產(chǎn)品或工程的可靠性，并且降低原材料成本。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中，燃燒室是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，燃?xì)鉁囟鹊母叩椭苯雨P(guān)系著發(fā)動(dòng)機(jī)的推力與效率的高低。傳統(tǒng)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻技術(shù)以及耐熱材料難以為燃燒室提供有效可靠的熱防護(hù)，而主動(dòng)冷卻以及熱障涂層的設(shè)計(jì)方案又需要熱障涂層具有較高的可靠性。因此，文章以有限元分析為基礎(chǔ)，對發(fā)動(dòng)機(jī)常用的熱障涂層的溫度場和變形、應(yīng)力場進(jìn)行分析，以此通過優(yōu)化，提高異質(zhì)材料連接件的性能，更好的提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能。

1連接結(jié)構(gòu)簡介及熱傳導(dǎo)控制

文章中研究發(fā)動(dòng)機(jī)異質(zhì)材料連接件主要為熱障涂層，該涂層由ZrO2面層、NiCrAlY粘接層構(gòu)成。其中，zrO2面層的厚度介于0.25～0.35mm;NiCrAlY粘接層厚度介于0.05-0.1mm。連接件結(jié)構(gòu)為4.5mm×45mmX1mm。具體連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

文章所分析的發(fā)動(dòng)機(jī)異質(zhì)材料連接件值考慮面層熱一物性參數(shù)變化，其他的暫不做考慮。

2連接結(jié)構(gòu)溫度場變化規(guī)律分析

2.1整體溫度場變化分析

利用有限元法對溫度場進(jìn)行求解，從而得到圖2的連接結(jié)構(gòu)溫度場變化。根據(jù)圖2可以看出，溫度場的變化在z軸方向的變化不明顯，但是在Y軸方向的變化卻非常明顯。說明，沿著Y軸方向?yàn)闇囟忍荻茸兓闹饕较颉?/p>

2.2不同層溫度場變化分析

選取圖1中連接結(jié)構(gòu)中粘接層一薄板界面、面層一粘接層界面，對兩界面的溫度場變化進(jìn)行分析。通過分析得到圖3的結(jié)果。根據(jù)結(jié)果表明，上述兩個(gè)界面在Y軸方向的溫度梯度受熱在最開始時(shí)最高，此后隨著時(shí)間的推移，其溫度開始變低。

根據(jù)上述結(jié)果可以看出，該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連接結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間的推移，其溫度場開始越來越低，最終趨于穩(wěn)定。說明該材料滿足發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃燒要求。

2.3不同層界面應(yīng)力變化分析

根據(jù)圖3的結(jié)果，取t=10s的情況下，探討不同界面的應(yīng)力變化規(guī)律，并得到在該時(shí)刻下的界面應(yīng)力的典型路徑投映，具體見圖4所示。

從上述結(jié)構(gòu)的整體分析來看，在靠近對稱約束端界面，其應(yīng)力分布相對比較均勻，而在靠近自由端面方向，界面應(yīng)力開始變化，并出現(xiàn)峰值。造成該變化的原因，是因?yàn)槭艿竭吘壭?yīng)的影響。

3不同連接結(jié)構(gòu)厚度對溫度場和應(yīng)力場的影響

為分析發(fā)動(dòng)機(jī)異質(zhì)材料連接結(jié)構(gòu)中不同面層的厚度給整體連接結(jié)構(gòu)的影響，取面層厚度最大值和最小值，然后通過有限元求解法得到結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)溫度和界面法向應(yīng)力SY。具體見圖5所示。在圖5中，則分別給出面層的厚度為0.35mm、0.3mm和0.25mm三個(gè)不同厚度下的結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)溫度變化情況。其中，Temp_1表示冷卻（cooling）面溫度，Temp_2和Temp_3分別表示界面1和界面2溫度，Temp_4表示受熱（heating）面溫度。對應(yīng)的應(yīng)力變化范圍則如圖6所示。圖6（a）、（b）和（c）分別為面層厚度為0.35mm、0.3mm和0.25mm時(shí)的界面法向應(yīng)力變化。inteffacel、inter.face2分別表示粘接層一薄板界面、面層一粘接層界面。通過以上的結(jié)果可以看出，隨著面層厚度的減小，其溫度場略有下降，而薄板表面溫度卻有少許上升。在應(yīng)力方面，隨著面層厚度的增加，其應(yīng)力峰值也不斷增加。

3L-型結(jié)構(gòu)有限元分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證有限元分析在發(fā)動(dòng)機(jī)材料特性分析中的價(jià)值，以某發(fā)動(dòng)機(jī)連接結(jié)構(gòu)中的L型結(jié)構(gòu)為例，具體見圖7所示。

在實(shí)際應(yīng)用的L型結(jié)構(gòu)中，

d3=d4=4.5e-3m，r表示半徑，分別取值為0.5e-3m、1e-3m、1.5e-3m。同時(shí)其中的S.C.表示施加的對稱位移約束。

同時(shí)，為方便計(jì)算，引人平面應(yīng)變假設(shè)。同時(shí)材料單彈性模量設(shè)定為200GPa，停松比設(shè)定為0.3，材料的膨脹系數(shù)為13.5e-6，熱傳導(dǎo)系數(shù)在設(shè)定為17.5W/mK。對冷卻壁施加500°C的溫度邊界條件，同時(shí)對加熱壁施加1000°C的溫度邊界。通過有限元分析，得到該L結(jié)構(gòu)的溫度場分布情況，具體見圖8所示。通過圖8看出，L結(jié)構(gòu)的溫度場在其拐點(diǎn)處，即在圓角與豎直平面的過渡節(jié)點(diǎn)上，其溫度場達(dá)到峰值。由此，通過上述的變化看出，在該過渡節(jié)點(diǎn)上，其溫度變化最為明顯，對材料的要求也是最高。

4結(jié)語

通過有限元分析，解釋了熱障涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi)燃燒的過程中，其內(nèi)部溫度和應(yīng)力的變化情況，從而為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部關(guān)鍵部件的材料選定和設(shè)計(jì)提供了很好的參考，對提高發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部性能具有很好的作用和價(jià)值。