基于有限元仿真的發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)分析

尚圓圓

（三峽大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 發(fā)動機(jī)有限元分析意義

在車輛整個龐大的機(jī)械結(jié)構(gòu)體內(nèi)，發(fā)動機(jī)隸屬于動力系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)的性能可以影響整個車輛的性能。發(fā)動機(jī)正在向大功率、重量輕、消耗低的方向發(fā)展，從而使發(fā)動機(jī)缸體不斷變小，缸體剛度不斷降低，因此發(fā)動機(jī)的振動變大，噪聲也隨著結(jié)構(gòu)變化不斷變大。如今，隨著科學(xué)技術(shù)水平快速提升，機(jī)械設(shè)備制造也朝著高精尖和輕量化的方向發(fā)展[1-2]。設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的振動和噪聲，會讓使用者或者操作者的使用感受大幅度地降低，而且還會污染環(huán)境，因而必須對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行動態(tài)分析和動態(tài)設(shè)計(jì)，需要能夠滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性的安全可靠且振感小、噪聲低的要求。

常見的車輛活塞發(fā)動機(jī)就是把燃料和空氣混合后變成可燃混合氣體，然后在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)部壓縮并通過火花塞點(diǎn)燃或者壓燃（根據(jù)燃料類型的不同來進(jìn)行區(qū)別）這兩種方式讓混合氣發(fā)生燃燒，從而在釋放出熱能之后轉(zhuǎn)換成了機(jī)械能[3]。車輛內(nèi)燃機(jī)是一部由許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)組合在一起的機(jī)器，而發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)類型也是多種多樣的，但是每類發(fā)動機(jī)的基本工作原理大致相同，也就形成了結(jié)構(gòu)大同小異、重大創(chuàng)新非常少的局面。

2 內(nèi)燃機(jī)工作原理

2.1 進(jìn)氣沖程

將空氣吸入氣缸內(nèi)部，其目的是為燃料燃燒提供充足的氧氣。進(jìn)氣沖程開始的時(shí)候，活塞位置在上止點(diǎn)，在飛輪旋轉(zhuǎn)帶來的慣性作用下，曲軸會被繼續(xù)推動，帶動活塞從底部位置往頂部位置行進(jìn)。同時(shí)由連接裝置帶動的配氣機(jī)構(gòu)在凸輪的作用下再次做出響應(yīng)動作：進(jìn)氣門開啟、排氣門閉合。這時(shí)候因?yàn)闅飧變?nèi)部形成真空，所以氣體被吸進(jìn)氣缸內(nèi)。發(fā)動機(jī)的性能可以影響整個汽車的性能，發(fā)動機(jī)中的缸體起著支撐整個發(fā)動機(jī)的作用，發(fā)動機(jī)的大部分組件都是安裝在它身上的，并時(shí)刻保持相對準(zhǔn)確的位置。發(fā)動機(jī)的缸體內(nèi)部還有在鑄造時(shí)就預(yù)先留好的油道和水道，它們的作用是保證缸體內(nèi)部的組件在工作時(shí)溫度不會過高。

2.2 壓縮沖程

當(dāng)進(jìn)氣沖程結(jié)束后，飛輪的慣性比較大，能夠繼續(xù)快速轉(zhuǎn)動。在飛輪高質(zhì)量物體運(yùn)動帶來的慣性下，曲軸會因?yàn)閼T性的原因繼續(xù)按相應(yīng)方向旋轉(zhuǎn)，這時(shí)活塞反向運(yùn)動由底部位置向頂部位置進(jìn)行運(yùn)動[4]。同時(shí)進(jìn)氣門和排氣門關(guān)閉，氣缸現(xiàn)在是密閉環(huán)境?；钊蛏现裹c(diǎn)移動時(shí)，氣缸內(nèi)部燃燒空間變小，這時(shí)因?yàn)榭臻g變小氣體不限所以氣體被壓縮，此時(shí)內(nèi)部壓力能夠達(dá)到810 kPa～2 010 kPa，溫度高達(dá)336 ℃～486 ℃，壓縮過程完全結(jié)束。

2.3 做功沖程

做功沖程是內(nèi)燃機(jī)向外部進(jìn)行動力輸出的沖程。這時(shí)燃料在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)部的高溫中快速蒸發(fā)，與吸入到缸內(nèi)的空氣按照一定比例充分混合，形成可燃混合氣，然后點(diǎn)燃（不同的燃料點(diǎn)火方式也不同），燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體將直接推動活塞從上止點(diǎn)位置向下止點(diǎn)位置快速移動，這時(shí)發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)部因?yàn)榭扇蓟旌蠚怏w被點(diǎn)燃導(dǎo)致內(nèi)部的壓力升高到3 100 kPa～6 100 kPa，溫度也高達(dá)2 020 ℃～2 620 ℃?；钊傧蛳逻\(yùn)動，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特性可以使曲軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因?yàn)榍S和飛輪由螺栓連接在一起，所以將直接帶動飛輪一起旋轉(zhuǎn)，將熱能量轉(zhuǎn)變成曲軸旋轉(zhuǎn)而帶來的扭矩機(jī)械能[5]。當(dāng)活塞運(yùn)動到燃燒室下止點(diǎn)位置時(shí)，做功沖程結(jié)束，氣缸內(nèi)容積增加而氣體容量不變，溫度和壓力也會慢慢降低，壓力慢慢下降到290 kPa～490 kPa，溫度下降到820 ℃～1 120 ℃。

2.4 排氣沖程

接下來曲軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞將從下止點(diǎn)位置向上止點(diǎn)位置進(jìn)行移動，曲軸在一個循環(huán)內(nèi)最后一次旋轉(zhuǎn)180°，此時(shí)進(jìn)氣門關(guān)閉、排氣門開啟[6]。至此，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的四個沖程全部結(jié)束，曲軸在一個循環(huán)內(nèi)共旋轉(zhuǎn)兩圈，此時(shí)活塞回到上止點(diǎn)位置，這樣循環(huán)往復(fù)，為汽車提供動力。

2.5 點(diǎn)火方式

點(diǎn)火方式主要由燃料的差異決定。由于汽油燃點(diǎn)高且黏滯性差，較容易氣霧化，因此汽油發(fā)動機(jī)一般采用點(diǎn)燃式。柴油黏滯性好，不容易氣霧化，所以一般柴油發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火方式為壓燃式。汽油發(fā)動機(jī)與柴油發(fā)動機(jī)分別擁有自己的優(yōu)點(diǎn)。汽油發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高，噪聲小，質(zhì)量小，且啟動比較容易，所以一般的小型車輛多使用汽油發(fā)動機(jī)；柴油發(fā)動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是壓縮比更大，熱效率更高，所以一般貨運(yùn)載重車輛和越野車多使用柴油發(fā)動機(jī)。

3 發(fā)動機(jī)有限元建模

3.1 建模方法的選擇

一是創(chuàng)建發(fā)動機(jī)機(jī)體的實(shí)體模型，然后需要在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作，完成有限元模型；二是直接生成有限元網(wǎng)格的方法。如果是簡單的物體，難度不大，如果對復(fù)雜的物體來說，想要使用直接生成的解決方案并不簡單，需要對很多細(xì)節(jié)進(jìn)行精簡才能夠完成。大量簡化以后的模型可不可以直接反映實(shí)際結(jié)構(gòu)，還需要再進(jìn)一步深入討論。軟件直接生成有限元網(wǎng)格，其密度是一定的，因此在建模的時(shí)候，要對使用多少網(wǎng)格數(shù)量能夠描述實(shí)際結(jié)構(gòu)有所了解。在直接生成解決方案的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)格的密度進(jìn)行修改有些復(fù)雜。而在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上劃分網(wǎng)格，能夠自由地切換網(wǎng)格的密集程度以及數(shù)量，所以非常適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元分析。

3.2 機(jī)體模型基本假設(shè)

機(jī)體在工作時(shí)的狀態(tài)非常復(fù)雜，而且動態(tài)特性還要考慮多個原因，因此必須對建立的模型進(jìn)行相對應(yīng)的簡化處理。

1）機(jī)體材料應(yīng)該是各種同性材料，密度分布均勻，并且是完全的彈性體。

2）假定位移量和形變量的數(shù)值都是微小的。

3.3 發(fā)動機(jī)實(shí)體模型建立

機(jī)體是一個經(jīng)過多道機(jī)械制造工藝而來的金屬殼體，發(fā)動機(jī)缸體上有各種凸起、孔洞以及鑄造時(shí)就預(yù)留的空腔。所以在建立實(shí)體模型時(shí)完全把這些復(fù)雜的因素考慮進(jìn)去的難度非常大，同時(shí)實(shí)體模型的質(zhì)量與強(qiáng)度也不可能與實(shí)際完全相匹配，因此需要對復(fù)雜的缸體進(jìn)行一定程度的精簡。簡化時(shí)，應(yīng)根據(jù)類型，主要考慮對實(shí)體模型影響較大的因素，之后進(jìn)行機(jī)體模型的簡化。

發(fā)動機(jī)缸體建模過程如下：第一步，拉伸出缸體大致外形，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)是對稱的，所以可以先對其中一半進(jìn)行建模，之后可以使用繞軸旋轉(zhuǎn)來鏡像出對稱物體；第二步，建立燃燒室，因?yàn)槔斐鰜淼氖菍?shí)心模型，所以要對缸體進(jìn)行裁剪；第三步，建立冷卻液流道，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)缸體需要降溫，所以需要切除出冷卻液流道，讓冷卻液流過缸體帶走多余溫度進(jìn)行降溫，然后進(jìn)行陣列即可[7]；第四步，繞軸旋轉(zhuǎn)，鏡像出完整缸體；最后，進(jìn)行工藝化流程，發(fā)動機(jī)缸體建模完成。

發(fā)動機(jī)曲軸建模過程如下：第一步，建立基礎(chǔ)曲軸主軸頸；第二步，建立曲軸臂；第三步，建立連桿軸頸。因?yàn)榍S臂和連桿軸頸是對稱的，所以之前建立了一半模型，再以連桿軸頸建立的一半的面進(jìn)行鏡像即可得到完整的曲軸臂，也能得到完整的連桿軸頸。整根曲軸由三個搖臂組合而成，通過復(fù)制、平移之后，再經(jīng)過一定角度旋轉(zhuǎn)即可得到。最后，建立曲軸的前端和后端，得到曲軸的最終模型。

發(fā)動機(jī)缸蓋建模過程如下：第一步，建立缸蓋基礎(chǔ)毛坯，切割出燃燒室和氣門，每個缸的氣門為兩個，分別是進(jìn)氣門和排氣門；第二步，對氣門進(jìn)行陣列，在缸蓋側(cè)立面切出進(jìn)氣口，再切出發(fā)動機(jī)缸蓋的排氣口；第三步，建立進(jìn)排氣凸輪軸座，切割出火花塞安裝位；第四步，對燃燒室、進(jìn)排氣門、進(jìn)排氣口、進(jìn)排氣凸輪軸座和火花塞安裝位進(jìn)行陣列，即可完成缸蓋的所有建模，然后對建立出來的缸蓋進(jìn)行工藝化，得到最終模型。

4 發(fā)動機(jī)主要部件有限元分析

4.1 有限元網(wǎng)格劃分

對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，從理論上來講是任意的，但在實(shí)際工作中必須考慮到現(xiàn)實(shí)性及經(jīng)濟(jì)性，因而在劃分時(shí)，必須遵循下列原則：選用單元受力狀態(tài)應(yīng)該盡量符合實(shí)際；結(jié)構(gòu)的精簡一定要保證擁有需要的計(jì)算精準(zhǔn)量；要最大限度地精簡過程，減少計(jì)算時(shí)間以及計(jì)算時(shí)需要占用的電腦資源；建立合適的模型，保證運(yùn)算的準(zhǔn)確性，降低運(yùn)算所需的時(shí)間成本，減少使用時(shí)所占用的計(jì)算機(jī)資源。

4.2 發(fā)動機(jī)缸體有限元模型建立

網(wǎng)格數(shù)量的多少將直接影響運(yùn)算的精準(zhǔn)度，而且網(wǎng)格數(shù)量越多計(jì)算時(shí)間越長，網(wǎng)格數(shù)量越少計(jì)算時(shí)間越短。通常需要進(jìn)行靜力分析，如果要運(yùn)算結(jié)構(gòu)的形變，就可以適當(dāng)?shù)販p少一些數(shù)量；若是要計(jì)算應(yīng)力，對精準(zhǔn)度還有一定要求的話，就需要增加一些網(wǎng)格來保證計(jì)算的精準(zhǔn)度。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動力特性的情況下，若是要計(jì)算數(shù)量較少的低階次模態(tài)，就可以選擇較為少量的網(wǎng)格；若要計(jì)算的模態(tài)階次比較高的話，就需要選擇較多數(shù)量的網(wǎng)格來進(jìn)行分析。

4.3 曲軸有限元模型建立

曲軸是發(fā)動機(jī)的主要運(yùn)動部件，承受著各個方向不同的載荷，還要把活塞帶來的沖擊力轉(zhuǎn)換為扭矩，所以曲軸的工作條件非常惡劣。它要承受著規(guī)律變化的氣壓力、往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶來的慣性力和它們的彎扭矩，在工作的時(shí)候還要彎曲和轉(zhuǎn)動，所以需要曲軸擁有優(yōu)秀的參數(shù)和良好的動態(tài)特性[8]。

曲軸自由模態(tài)計(jì)算要以曲軸材料為鋼，由手冊知：彈性模量E=21 GPa。在內(nèi)燃發(fā)動機(jī)中，曲軸是一個剛度薄弱的部件，在外界低頻激勵的情況下，可能引起其振動，因此需要加大它的剛度[9]。

4.4 發(fā)動機(jī)缸蓋有限元模型建立

在建立氣缸蓋模型時(shí)，應(yīng)該先考慮缸蓋形狀和受力情況。建模時(shí)要在保證氣缸蓋高度、寬度、頂面和底面壁厚的基礎(chǔ)上，對缸蓋進(jìn)行如下的特征簡化：認(rèn)為氣道孔為等截面孔；將進(jìn)氣道與排氣道簡化為同一孔型結(jié)構(gòu)；忽略小的螺釘孔、銷釘孔等；建立缸蓋的實(shí)體模型，由于缸蓋曲面較多，而且不規(guī)則小結(jié)構(gòu)較多，在劃分網(wǎng)格時(shí)考慮到單元不至于奇異，必須使單元尺寸很小，這樣單元節(jié)點(diǎn)數(shù)肯定會變得比較多[10]。

5 總結(jié)與展望

本文在使用有限元法的基礎(chǔ)上，對發(fā)動機(jī)的主要零部件進(jìn)行了動態(tài)特性研究，本文所做的主要工作以及結(jié)論如下：發(fā)動機(jī)主要部件的有限元模型以及實(shí)體模型利用軟件得到了各自的模態(tài)參數(shù)，而且建立的模型結(jié)構(gòu)基本正確，為下一步進(jìn)行動力匹配研究與動力響應(yīng)計(jì)算奠定了基礎(chǔ)；在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的前提下對發(fā)動機(jī)進(jìn)行輕量化研究也是一大難題；在機(jī)械自動化普及的今天，發(fā)動機(jī)的體積還是相對較大，雖然材料技術(shù)有重大突破，發(fā)動機(jī)的重量大幅下降，但是重量還是較重；發(fā)動機(jī)體積和質(zhì)量的有效減小，方便改變車輛的設(shè)計(jì)風(fēng)格，還可以減少燃料，從而減少排放，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。在此背景下，可以進(jìn)行以下兩個方面的研究。

1）在保證發(fā)動機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上，進(jìn)行減振降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）在整體結(jié)構(gòu)安全可靠、減振降噪的基礎(chǔ)上，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。輕量化設(shè)計(jì)是一個永遠(yuǎn)不會過時(shí)的課題。在滿足各方面性能要求的情況下，進(jìn)行產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)，不僅能節(jié)省材料，還能夠節(jié)省能源，在污染日益嚴(yán)重的今天需要重視這方面的研究。