有限元技術(shù)視角下的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能研究

裴黎

摘要：選用基于ANSYS Workbench的有限元分析平臺(tái)，主要針對(duì)某型汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)系的結(jié)構(gòu)的密閉性進(jìn)行了重點(diǎn)研究，其中具體涉及發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊、氣缸蓋以及其氣缸體的組合結(jié)構(gòu)，闡述了研究過程中所涉及的重要思想和關(guān)鍵技術(shù)，并通過ANSYS Workbench的相關(guān)有限元的解算結(jié)果為發(fā)動(dòng)機(jī)密閉性的提升和優(yōu)化提供意見，而后對(duì)優(yōu)化之后的性能再次進(jìn)行解算和檢驗(yàn)。通過分析檢驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)密閉性進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，可以從其汽缸墊的壓紋結(jié)構(gòu)和相關(guān)起聯(lián)結(jié)作用的螺栓著手進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，達(dá)到了提升發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能的目的。

關(guān)鍵詞：有限元;汽車發(fā)動(dòng)機(jī);密封性能;優(yōu)化調(diào)整中

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.15.093

0前言

近年來，對(duì)汽車的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，特別是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能的研究成為比較熱門的研究方向，但是在具體的研究過程中，少有人關(guān)注汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性能相關(guān)方面的研究。很多部門為了處于研究成本的考慮，也僅僅停留在對(duì)氣缸墊密閉性能的初步討論方面，對(duì)于如何改進(jìn)和解決汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的密閉性這一點(diǎn)上沒有給出有參考價(jià)值的研究結(jié)論和依據(jù)，更沒有給出經(jīng)過密閉性檢驗(yàn)的研究結(jié)果。基于此，本文對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)組合結(jié)構(gòu)的密封性能進(jìn)行重點(diǎn)研究，研究的方法主要是運(yùn)用試下熱門的有限元技術(shù)對(duì)可能影響到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的密封性能的影響因子進(jìn)行提取分析和進(jìn)一步優(yōu)化，并結(jié)合優(yōu)化措施和結(jié)果對(duì)其進(jìn)行相關(guān)方面的可靠性檢驗(yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能數(shù)值模擬研究的關(guān)鍵方法和重要思想進(jìn)行重點(diǎn)闡述，以期對(duì)我國國內(nèi)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)密封研究工作以及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供有意義的探索。

1穩(wěn)態(tài)研究方面

1.1網(wǎng)格劃分

本文研究對(duì)象為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)組合結(jié)構(gòu)，由于現(xiàn)代汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)建和組合結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且具體的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件和組件的外部特征找不到較為明顯的規(guī)律性，因此在研究開始時(shí)需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)組件的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在此選用網(wǎng)格處理的方式，因此研究初期的重點(diǎn)是要進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的網(wǎng)格處理方案設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)方法是運(yùn)用分割法，在常用的四面體網(wǎng)格基礎(chǔ)上進(jìn)行再分割，分割過程中重點(diǎn)突出對(duì)各組合零件互相接觸的表面、如何準(zhǔn)確定義接觸表面的邊界條件、分析提出影響最后解算結(jié)果的具體結(jié)構(gòu)特征、選用較小的結(jié)構(gòu)特征對(duì)四面體進(jìn)行相關(guān)的網(wǎng)格加密處理以及選用網(wǎng)格稀疏處理對(duì)相對(duì)不重要的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行處理。

1.2結(jié)構(gòu)性接觸問題

對(duì)接觸對(duì)進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在氣缸蓋、氣缸墊及氣缸體之間生成相應(yīng)的接觸對(duì)，將數(shù)模導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，首先刪除一些可能對(duì)解算結(jié)果產(chǎn)生干擾的接觸以及一些沒有價(jià)值的接觸對(duì)，從而保證解算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在選擇具體的接觸類型時(shí)，本文選擇了適用性較廣的線性接觸對(duì)Bonded，以適應(yīng)在結(jié)算和分析過程中可能由于接觸面較大、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及不易收斂、計(jì)算量大帶來的分析和解算難度。而后通過反復(fù)不斷的測(cè)試以及修正，確定本文的計(jì)算過程中選用接觸剛度的指數(shù)為0.6。

1.3邊界條件的判斷

在本文的解算過程中，解算結(jié)果的準(zhǔn)確性直接受到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)組合結(jié)構(gòu)的載荷以及邊界位移的相關(guān)約束條件準(zhǔn)確性的直接影響。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)組合結(jié)構(gòu)的機(jī)體底部可以被完全固定，選擇在其底面定義了全位移約束;為了能夠消除發(fā)動(dòng)機(jī)組合結(jié)構(gòu)機(jī)體的切向滑移的影響，選擇在其2個(gè)側(cè)面分別定義了相應(yīng)的水平位移約束;同時(shí)，本文提到穩(wěn)態(tài)研究，主要的研究內(nèi)容和涉及范圍主要是機(jī)械載荷，而機(jī)械載荷則其主要是各沖程的爆破壓力以及螺栓的預(yù)緊力。

1.4結(jié)果和求解

求解計(jì)算時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)組合結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果不能收斂的情況，首先要進(jìn)行劃分網(wǎng)格的方法、尺寸以及相關(guān)度等的調(diào)整;由于時(shí)間步長越小越能保證計(jì)算結(jié)果的收斂性，所以還要考慮對(duì)時(shí)間步長進(jìn)行調(diào)整。 除此以外，在具體的求解發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊的表面接觸壓力時(shí)不考慮設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)各沖程的爆破壓力，以便于對(duì)比氣缸墊的表面接觸壓力與實(shí)際測(cè)試過程中的面壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸口四周的全壓紋以及螺栓孔附近半壓紋的局部位置應(yīng)力較大時(shí)，能夠?qū)е旅芊饨佑|面的變形出現(xiàn)不均勻的情況，從而會(huì)嚴(yán)重地影響到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能。因此在優(yōu)化調(diào)整的過程中應(yīng)當(dāng)針對(duì)其關(guān)鍵影響因素進(jìn)行改進(jìn)。

2發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能影響要素的優(yōu)化

影響發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能的最關(guān)鍵因素是氣缸墊的壓紋結(jié)構(gòu)和連接發(fā)動(dòng)機(jī)組合結(jié)構(gòu)的螺栓預(yù)緊力，因此本文也著重研究這兩方面的優(yōu)化調(diào)整。為了確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能的因素進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，可以選用插值法進(jìn)行，具體的方法是差值一些光滑程度高的曲面以及曲線，由于三次樣條插值具有相對(duì)良好的穩(wěn)定性以及收斂性，本文依托Matlab2010b平臺(tái)選用常用的三次樣條插值法進(jìn)行優(yōu)化。

2.1氣缸墊壓紋的優(yōu)化改進(jìn)研究

對(duì)氣缸墊全壓紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將全壓紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及其對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)模型正確導(dǎo)入到AN- SYS Workbench中進(jìn)行解算，從而獲取相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊的縱向變形結(jié)果以及其結(jié)果的計(jì)算云圖。通過計(jì)算，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊縱向的變形量最大的時(shí)候，相應(yīng)的氣缸墊的全壓紋寬度約為1.83mm，也就是約為0.188mm，并且此時(shí)的變形量比原始設(shè)計(jì)高度要小，因此根據(jù)Matlab中的插值解算的預(yù)估結(jié)果，我們可以認(rèn)為該全壓紋結(jié)構(gòu)對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能是有效的。

2.2螺栓預(yù)緊力的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的組合結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)通常來說由10個(gè)高強(qiáng)度螺栓完成，這10個(gè)螺栓的規(guī)格是公制M10，這種型號(hào)的螺栓所能提供的預(yù)緊力最大為49333N，因此在調(diào)試的過程中施加給每個(gè)螺栓的預(yù)緊力必須低于49333N且在46667N附近。同時(shí)，在調(diào)整和改變螺栓的預(yù)緊力的過程中，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊產(chǎn)生一些類似翹曲變形的不良現(xiàn)象，為了，避免這個(gè)消極影響，在實(shí)驗(yàn)過程中，要注意對(duì)稱的位置上調(diào)整相應(yīng)螺栓預(yù)緊力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各螺栓預(yù)緊力的全面調(diào)控。

3熱流固多物理場耦合相關(guān)研究

首先根據(jù)數(shù)模的具體結(jié)構(gòu)和實(shí)際工況進(jìn)行截取處理，在實(shí)際情況中，由于實(shí)驗(yàn)組件承擔(dān)的機(jī)械載荷以及熱載荷具有一定的對(duì)稱性，因此可以在截取時(shí)選擇沿著其3缸和2缸的中心線進(jìn)行，截取完成之后保留有1缸和2 缸一側(cè)，而后，在確保不影響最終解算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)組合機(jī)構(gòu)中的一些圓角、倒角以及一些工藝特征等進(jìn)行一定的變換和簡化處理。

3.1流體場的求解和解算

在具體的實(shí)驗(yàn)和解算過程中，我們主要考慮兩個(gè)方面：水套內(nèi)壁和其中的冷卻液產(chǎn)生的熱對(duì)流、機(jī)體周圍環(huán)境與其外表面的熱對(duì)流。而關(guān)于水套內(nèi)壁和其中的冷卻液產(chǎn)生的熱對(duì)流的研究中，可以選用自動(dòng)傳遞熱的方式實(shí)現(xiàn)溫度由冷卻液向機(jī)體的傳遞。 在機(jī)體周圍環(huán)境與其外表面的熱對(duì)流的研究中，則也可以采自動(dòng)傳遞熱的方式實(shí)現(xiàn)溫度由機(jī)體到周圍環(huán)境中的傳遞。

3.2瞬態(tài)溫度場的解算

通過3.1步驟的計(jì)算，可以將其流體場的解算結(jié)果導(dǎo)入到瞬態(tài)溫度場中，并作為一種邊界條件，而后再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的壁面所接觸部分溫度與相應(yīng)的對(duì)流熱的系數(shù)曲線來進(jìn)一步確定解算過程中需要的具體對(duì)流換熱系數(shù)值和溫度值。實(shí)驗(yàn)中，水套的冷卻液發(fā)揮降溫的作用，控制了燃燒室的溫度變化幅度和擴(kuò)散傳播，有較好的溫控和降溫的效果，整體溫度無較大波動(dòng)。

3.3瞬態(tài)結(jié)構(gòu)場的解算

通過3.1步驟的計(jì)算，可以將其解算結(jié)果導(dǎo)入到瞬態(tài)結(jié)構(gòu)場的相關(guān)模塊中，作為一種邊界條件，而后在發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體的截取面上定義相應(yīng)的對(duì)稱位移約束，再根據(jù)相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖，確出定發(fā)動(dòng)機(jī)各沖程的運(yùn)行時(shí)間以及與之相對(duì)的爆破壓力。進(jìn)而，獲得涵蓋氣缸墊瞬態(tài)溫度場、流體場、氣缸墊的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)場和多物理場耦合等多種結(jié)果的變形計(jì)算結(jié)果及其云圖。

4總結(jié)

本文的研究面向?qū)嶋H生活中汽車發(fā)動(dòng)機(jī)密封領(lǐng)域的實(shí)際情況和問題，靈活運(yùn)用新興的有限元分析技術(shù)針對(duì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，在分析過程中依托Matlab2010b平臺(tái)選用常用的三次樣條插值法進(jìn)行優(yōu)化，并研究提出了運(yùn)用多物理場疊加而來的計(jì)算結(jié)果優(yōu)化方法進(jìn)行可靠性檢驗(yàn)的辦法，最終通過解算較為準(zhǔn)確地得出了更適合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)密封性能提升的相應(yīng)氣缸墊壓紋結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)以及其連接螺栓預(yù)緊力的值域范圍，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)密閉領(lǐng)域研究提供了有意義的探索。

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