某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸孔變形分析及優(yōu)化

項(xiàng)盼盼，曾小春，袁曉軍，鄒萍萍，林宇星，周 熹，鄭朝升

(江鈴汽車股份有限公司動(dòng)力總成研究院，江西 南昌 330001)

0 引言

缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的主體，是安裝其他零部件和附件的支承骨架，缸體內(nèi)設(shè)有冷卻水套、潤(rùn)滑油道和其他孔道，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，缸體除承受螺栓預(yù)緊力和軸瓦過(guò)盈等裝配載荷外，還受到缸內(nèi)燃燒CFD(Computational Fluid Dynamics)的熱負(fù)荷，缸體在這種熱載荷作用下缸孔熱變形較大。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平日益提升，其燃燒爆發(fā)壓力越來(lái)越高，對(duì)缸孔變形也是一個(gè)極大的考驗(yàn)。如果缸孔變形過(guò)大，氣缸孔和主軸承孔失圓，甚至使氣缸軸線和曲軸中心線不垂直，各個(gè)主軸承不同軸，導(dǎo)致它們相互之間正確的配合關(guān)系被破壞，加速零件的磨損甚至破壞，或造成漏水、漏氣、漏油等故障。因此，在缸體設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮缸孔變形及磨損情況，評(píng)估其變形量是否滿足設(shè)計(jì)要求，保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全可靠的運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)也有相當(dāng)多的企業(yè)和高校對(duì)缸孔變形展開(kāi)了研究工作，并獲得了一定的成果[1-2]。

在計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，CAE有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。缸體、缸蓋的設(shè)計(jì)要有足夠的剛度和強(qiáng)度，成功的缸體、缸蓋設(shè)計(jì)，其工作應(yīng)力應(yīng)該比較小，變形及振動(dòng)較小，以保證內(nèi)燃機(jī)能夠長(zhǎng)期可靠的工作[3]。

內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)，缸體、缸蓋受到燃?xì)獗l(fā)壓力、螺栓預(yù)緊力、氣門座圈過(guò)盈力和氣門落座力的作用。此外，缸體、缸蓋各部分的溫度梯度大，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，這也是缸體、缸蓋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。缸孔變形分析分別從冷態(tài)裝配下的變形及熱態(tài)裝配下的變形情況來(lái)評(píng)估。分析流程圖如圖1所示。

圖1 缸體缸蓋一體化分析流程

本文采用CFD(Computational Fluid Dynamics)與有限元FEA(Finite Element Analysis)耦合技術(shù)，評(píng)估及優(yōu)化缸體缸孔變形情況，對(duì)變形較大區(qū)域進(jìn)行了針對(duì)性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效改善了缸孔變形情況。

1 缸孔變形分析技術(shù)路線

缸體缸孔變形分析主要涉及流體力學(xué)、有限元兩大模塊，分析流程如圖1所示。首先需要收集發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)和三維數(shù)模，然后對(duì)各零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；若有限元模型采用流體力學(xué)載荷則需在AVL FIRE軟件中進(jìn)行3D CFD缸內(nèi)燃燒分析及3D水套冷卻分析，通過(guò)面網(wǎng)格映射功能把缸內(nèi)燃燒表面及缸內(nèi)水套表面的CFD載荷映射到有限元模型中。若不進(jìn)行流體力學(xué)分析，有限元模型則采用簡(jiǎn)化計(jì)算的載荷進(jìn)行計(jì)算。本文分析采用流體力學(xué)分析載荷進(jìn)行分析計(jì)算。有限元溫度場(chǎng)模型搭建完后，在ABAQUS軟件中進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，通過(guò)溫度場(chǎng)分析可以得到缸體缸蓋、缸體缸蓋水套、氣門、氣門座圈及導(dǎo)管等的溫度分布。然后用溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為應(yīng)力分析的邊界，在ABAQUS中搭建應(yīng)力場(chǎng)模型，可以得到缸體缸蓋及缸墊等零部件的應(yīng)力分布情況。缸體缸孔變形的評(píng)估是將應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Altair公司的Simlab軟件中進(jìn)行相應(yīng)的后處理，得到缸孔周向及徑向變形輪廓，以及各階次變形輪廓及變形量，對(duì)各階次變形量進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文主要對(duì)缸體缸孔變形的評(píng)估和優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)的分析說(shuō)明。

2 分析模型及邊界載荷

2.1 有限元模型

缸體缸蓋一體化分析模型主要包括缸體、缸蓋、主軸承蓋、缸蓋螺栓、氣門、氣門座圈及氣門導(dǎo)管等，如圖2所示。溫度場(chǎng)網(wǎng)格類型采用一階四面體網(wǎng)格，應(yīng)力場(chǎng)網(wǎng)格模型采用二階四面體網(wǎng)格。模型中缸孔是分析主要對(duì)象，因此在網(wǎng)格處理時(shí)可以進(jìn)行細(xì)化處理。

圖2 缸體缸蓋一體化分析CAE模型

2.2 CFD載荷計(jì)算及映射

本文通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)分析獲得缸內(nèi)燃燒及缸內(nèi)冷卻的CFD邊界，流體力學(xué)分析模型如圖3、圖4所示。計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下的缸內(nèi)燃燒及冷卻邊界，圖5、圖6為額定工況缸內(nèi)燃燒及缸內(nèi)冷卻水套溫度及換熱系數(shù)分布情況，從圖中可知，缸蓋火力面鼻梁區(qū)溫度較高，排氣側(cè)較進(jìn)氣側(cè)溫度高；缸體水套第一缸換熱系數(shù)較低，缸蓋水套第四缸換熱系數(shù)較低。該結(jié)果將通過(guò)ABAQUS軟件映射到表面有限元網(wǎng)格上。

圖3 缸內(nèi)燃燒分析模型

圖4 缸內(nèi)冷卻水套分析模型

圖5 額定工況缸內(nèi)燃燒邊界

圖6 額定工況缸內(nèi)冷卻邊界

缸體缸蓋主要受力有：螺栓預(yù)緊力、氣門座圈及導(dǎo)管過(guò)盈、缸內(nèi)燃燒溫度熱載荷以及缸內(nèi)水套冷卻。本文分析缸體缸蓋一體化的缸內(nèi)熱邊界均來(lái)自3D CDF分析，各載荷的加載順序如表1所示。

表1 應(yīng)力計(jì)算工況表

3 缸孔變形評(píng)估

缸體缸孔變形使用HYPWEWORKS軟件中的SIMLAB模塊進(jìn)行后處理。缸孔縱向變形影響活塞與缸體之間的配合間隙和工作情況，如果變形太大對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)不利，可能導(dǎo)致拉缸等不良現(xiàn)象。縱向變形是否合理，可以通過(guò)活塞二階運(yùn)動(dòng)仿真分析評(píng)估。一般來(lái)說(shuō)，缸孔冷態(tài)安裝變形越小越好，不同廠家評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同。

缸孔變形直接影響活塞的運(yùn)動(dòng)和整機(jī)機(jī)油消耗指標(biāo)。工程中一般通過(guò)傅立葉技術(shù)來(lái)描述和評(píng)估。傅立葉技術(shù)分析中，第i諧次幅值系數(shù)Umaxi系通過(guò)以下定義描述：

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

(1)

式中，Ai，Bi為傅立葉系數(shù)，i為諧次數(shù)。

(2)

(3)

Umaxi即為第i諧次幅值，工程實(shí)際問(wèn)題中，一般關(guān)注二到六階幅值，前六階變形如圖7所示[4]。

圖7 傅立葉分析各階變形圖

缸孔變形后處理結(jié)果顯示，第一缸缸孔在熱態(tài)下3階變形超出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)20 μm，不滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

4 水套優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果，缸孔中部熱變形較大的主要原因是缸孔表面溫度不均勻，為改善缸孔熱變形，對(duì)水套進(jìn)行了優(yōu)化。如圖9所示，水套向下加深了近40 mm，同時(shí)為保證缸體剛度，對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

圖8 第一缸缸孔熱態(tài)下各階變形量

圖9 缸體水套優(yōu)化

將設(shè)計(jì)優(yōu)化后的數(shù)模重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，重新進(jìn)行水套冷卻分析，用新的缸內(nèi)冷卻邊界，開(kāi)始新的一輪有限元分析。分析結(jié)果如圖10所示，第一缸缸孔變形得到明顯改善。

圖10 優(yōu)化后一缸缸孔熱態(tài)下各階變形量

5 結(jié)論

1)通過(guò)流體力學(xué)分析發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況缸內(nèi)燃燒及水套冷卻邊界載荷，進(jìn)行缸體缸蓋一體化分析，進(jìn)而得到缸孔變形，結(jié)果顯示第一缸缸孔熱態(tài)下變形過(guò)大。

2)根據(jù)分析結(jié)果得出，變形較大的原因是該處溫度梯度較大，從而對(duì)水套進(jìn)行優(yōu)化，以改善溫度均

勻性進(jìn)而改善缸孔熱態(tài)下的變形，優(yōu)化后的缸孔變形得到明顯改善。

3)本文采用的CFD-FEA耦合分析方法可以準(zhǔn)確得到缸孔熱態(tài)下的變形情況，為優(yōu)化缸體結(jié)構(gòu)、改善缸孔變形提供了參考和借鑒。