基于非線性的發(fā)動機(jī)氣缸墊密封性能研究

李衛(wèi)民，唐兆豐，姜 凱

（遼寧工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

1 引言

近年來，隨著計算機(jī)性能的提升，利用計算機(jī)為輔助工具對復(fù)雜產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析的虛擬仿真技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中。尤其是在汽車工程領(lǐng)域，各大生產(chǎn)廠商都將有限元技術(shù)作為研發(fā)的基礎(chǔ)。但是在發(fā)動機(jī)密封性能的研究中，絕大多數(shù)的工程技術(shù)人員只考慮了線性因素對其進(jìn)行有限元分析。通過實(shí)驗(yàn)表明這種方法得到的結(jié)果是不具有參考價值的，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)氣缸墊是典型的具有高度非線性的零件，但是很多工程技術(shù)人員卻沒有注意到這一分析上的疏忽帶來的影響。此次研究以某汽油發(fā)動機(jī)以及配套的金屬氣缸墊片為例，在螺栓預(yù)緊力作用下考慮非線性因素對其影響，并將分析所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證分析結(jié)果的精確性。同時，對于金屬墊片提出了一種全新的分析方法，并且驗(yàn)證了方法的可行性與精確性。

2 虛擬仿真分析

2.1 非線性條件表現(xiàn)

以某汽油發(fā)動機(jī)及其配套金屬氣缸墊片為例進(jìn)行考慮非線性的有限元分析，其中金屬氣缸墊片為三層氣缸墊片通過鉚釘連接。對其進(jìn)行加載卸載實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在卸載過程中曲線沒有沿著加載過程中的曲線進(jìn)行卸載，其在厚度方向上表現(xiàn)出高度的非線性性，加載卸載曲線如圖1所示。因此，使用線性的分析方法對其進(jìn)行與有限元的虛擬仿真，得到的結(jié)果必然是無法準(zhǔn)確反應(yīng)出實(shí)際的工作情況。由于墊片其所具有的特殊性，ANSYS軟件專門為其設(shè)計了一種gasket材料來定義這一特殊的物理屬性，其主要受力變形方向?yàn)楹穸确较?，網(wǎng)格只在接觸面上劃分一層網(wǎng)格，通過輸入經(jīng)過換算的壓縮回彈曲線來定義具體的材料屬性［2］。

圖1 加載卸載曲線Fig.1 The Diagram of Load and Unload

除了材料體現(xiàn)的非線性，分析中還存在接觸對的非線性。發(fā)動機(jī)裝配體組合在實(shí)際的工況下密封墊片與氣缸體和氣缸蓋的接觸屬于摩擦接觸，摩擦接觸是典型的非線性接觸，而有些工程技術(shù)人員為了使分析結(jié)果容易收斂而選擇綁定接觸。綁定接觸是線性的，其會導(dǎo)致氣缸墊片在擠壓過程中沒有橫向的伸展，得到的結(jié)果必然是不準(zhǔn)確的。為了得到精度較高的結(jié)果，本例中選擇摩擦接觸進(jìn)行分析。

本例選用的發(fā)動機(jī)氣缸墊片是由0.2mm厚的不銹鋼板沖壓出0.2mm高的密封筋。在螺栓預(yù)緊力下，其密封筋基本處于完全壓平的狀態(tài)，零件變形大小幾乎與零件厚度相等，這就涉及到幾何的非線性（大變形），在分析中為了提高結(jié)果的精度，需要將求解設(shè)置中的大變形開關(guān)打開。由于打開大變形開關(guān)會使結(jié)果不易收斂，所以很多工程技術(shù)人員在對發(fā)動機(jī)密封性能進(jìn)行有限元分析時沒有選擇將大變形開關(guān)打開，這就導(dǎo)致分析的結(jié)果精度不夠，所以為了更能貼近實(shí)際的工況，在分析的過程中需要考慮幾何非線性（大變形）對結(jié)果造成的影響。

2.2 非線性求解及結(jié)果分析

由于選用的發(fā)動機(jī)組模型十分復(fù)雜，同時又考慮了其非線性，因此收斂十分困難。為了提高其收斂速度，需要對發(fā)動機(jī)模型進(jìn)行簡化處理，將一些細(xì)小的對結(jié)果影響較小的特征可進(jìn)行簡化。在簡化模型的過程中要注意發(fā)動機(jī)氣缸體表面存在很多筋和肋板，這些特征主要起到增強(qiáng)氣缸體強(qiáng)度，在簡化模型的過程中需要對這些特征進(jìn)行保留。同時由于有限元法主要通過有限單元節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行力的傳遞，為了減小誤差、提高計算精度，需要對相接觸的表面網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，同時保證相接觸位置節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?yīng)，這樣有利于提高計算結(jié)果的精度和收斂性。

對于非線性問題的求解，一般采用迭代法來進(jìn)行計算，ANSYS軟件中使用Newton-Raphson法來進(jìn)行迭代求解，其基本原理，如圖2所示。

圖2 Newton-Raphson法Fig.2 Newton-Raphson Method

Newton-Raphson法是通過多次迭代來進(jìn)行求解，首先第一次迭代施加一個載荷，根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移計算其內(nèi)力，內(nèi)力與載荷的差即為殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力小于某個值時，則認(rèn)為系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)是收斂的，反之則要利用當(dāng)前條件重新計算新的剛度矩陣，直到殘余應(yīng)力小于那個額定值為止［5］。當(dāng)分析結(jié)果不收斂時，ANSYS軟件也可以通過查看最后幾次迭代的Newton-Raphson的殘余應(yīng)力來觀察具體是哪個位置的迭代出現(xiàn)殘余應(yīng)力過大而不收斂。對于局部殘余應(yīng)力過大的問題，一般是網(wǎng)格質(zhì)量不好而引起的，所以可以通過加密局部位置的網(wǎng)格來提高其收斂性。在分析過程中系統(tǒng)是通過殘余應(yīng)力來判斷是否收斂的，若殘余應(yīng)力過大則會導(dǎo)致軟件判定分析無法收斂而導(dǎo)致計算失敗，因此，可以通過增加載荷步來降低每步計算時的外載荷力，從而減小殘余應(yīng)力提高收斂性。

經(jīng)過仿真計算得到金屬氣缸墊片中密封筋的法向壓力結(jié)果云圖，并取20個點(diǎn)進(jìn)行觀察，如圖3所示。將面壓實(shí)驗(yàn)的膠片結(jié)果可以導(dǎo)入專門查看膠片圖樣的FPD8010軟件中查看實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果數(shù)據(jù)，在與有限元結(jié)果相對應(yīng)的位置同樣的選取20個點(diǎn)，如圖4所示。將其與有限元分析的結(jié)果進(jìn)行對比，來判斷模型的準(zhǔn)確性以及有限元虛擬仿真的正確性［6］。根據(jù)表1可知，所選的20個點(diǎn)的平均誤差在2.912%，可以證明模型的準(zhǔn)確性，以及考慮非線性因素進(jìn)行有限元分析的方法可以獲得與實(shí)際情況吻合度較高的結(jié)果。

表1 對比結(jié)果Tab.1 The Results of contrast

圖3 法向墊片壓力結(jié)果云圖Fig.3 Result Cloud of Normal Gasket Pressure

圖4 面壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果云圖Fig.4 Result Cloud of Surface Pressure Test

3 簡化墊片

經(jīng)過觀察氣缸墊片法向方向的應(yīng)力結(jié)果云圖可以發(fā)現(xiàn)，在只受到螺栓預(yù)緊力的狀態(tài)下，金屬氣缸墊主要依靠各個密封筋來提供密封力，墊片的其他位置所受的法向方向的應(yīng)力十分小，因此在計算氣缸墊的密封力時考慮單元節(jié)點(diǎn)數(shù)目以及計算成本，可以只對密封筋處建模而將氣缸墊其它位置進(jìn)行簡化，觀察其密封力與面壓實(shí)驗(yàn)是否吻合。若簡化后模型的密封力與面壓實(shí)驗(yàn)相吻合，則證明簡化氣缸墊片的方法可以適用于發(fā)動機(jī)氣缸墊片的密封性能的研究，如圖5所示。

圖5 法向應(yīng)力結(jié)果云圖Fig.5 Result Cloud of Normal Stress

將簡化后的模型導(dǎo)入有限元軟件中，經(jīng)過分析計算得到密封筋位置的法向壓力結(jié)果云圖，在與未進(jìn)行簡化模型的相同位置取20個點(diǎn)，如圖6所示，將其結(jié)果與面壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比結(jié)果，如表2所示。

圖6 法向墊片壓力結(jié)果云圖Fig.6 Result Cloud of Normal Gasket Pressure

表2 對比結(jié)果Tab.2 The Results of contrast

通過觀察可知，簡化后的墊片所取20個點(diǎn)法向方向的壓力值與面壓實(shí)驗(yàn)的平均誤差是4.02%，雖然結(jié)果的精度略有下降，但是滿足計算結(jié)果的精度要求。

簡化氣缸墊片的分析方法可以有效減少接觸對以及網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，在滿足計算結(jié)果精度的同時可以提高計算速度和收斂性。因此，可以廣泛應(yīng)用在相同類型產(chǎn)品的分析中。

4 密封結(jié)果檢驗(yàn)

根據(jù)主機(jī)廠對于本例所選用發(fā)動機(jī)氣缸墊片密封性能的要求，要滿足發(fā)動機(jī)正常工況下的密封條件，需要?dú)飧讐|片在只受螺栓預(yù)緊力的狀態(tài)下的缸口位置密封壓力應(yīng)達(dá)到60MPa。為了更好觀察設(shè)計的氣缸墊片是否滿足要求，在分析結(jié)果的應(yīng)力云圖中將左側(cè)比例尺進(jìn)行調(diào)整，以60MPa為分界線對其顏色進(jìn)行統(tǒng)一，這樣可以方便觀察其缸口位置是否能形成一個完整的密封圈。若大于60MPa的區(qū)域無法形成一個完整的封閉圓環(huán)，則需要對氣缸墊片進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)觀察可知，案例中的氣缸墊片缸口筋處密封壓力只有少部分區(qū)域小于60MPa，而大于60MPa的藍(lán)色區(qū)域可以形成一個完整密封圓環(huán)，所以滿足主機(jī)廠對這款發(fā)動機(jī)的密封要求。調(diào)整比例尺后的密封性能檢驗(yàn)云圖，如圖7所示。

圖7 密封性能檢驗(yàn)Fig.7 Sealing Performance Test

5 結(jié)論

以某汽油發(fā)動機(jī)為例對其金屬氣缸墊的密封性能的有限元分析進(jìn)行了深入的研究，在分析過程中考慮其材料以及接觸對以及大變形等非線性因素對分析結(jié)果的影響。通過試驗(yàn)與實(shí)際結(jié)果相對比發(fā)現(xiàn)考慮非線性因素可以得到精度較高的結(jié)果。同時提出了一種對發(fā)動機(jī)氣缸墊片進(jìn)行簡化的分析方法，這種方法在滿足精度要求的同時可以有效降低計算成本，提高產(chǎn)品研發(fā)效率。并在最后對所選氣缸墊片的密封性能做了檢驗(yàn)，得出所選氣缸墊片滿足主機(jī)廠的密封要求。由于本次研究的方法體系可被同類其他產(chǎn)品所借鑒，因此對其他產(chǎn)品密封性能的研究也具有重要的意義。