一种考虑残余应力的机体强度计算方法

0引言
机体是发动机本体的根基，为了确保发动机的可靠性、耐久性、安全性以及NVH 性能，要求机体不仅具备很高的几何精度，而且应具备足够的刚度、强度和动力特性[1]。

近年来随着缸内直喷、涡轮增压等新技术的应用，缸内爆发压力和升功率都显著提升，这就对发动机机体的强度提出了更加严格的要求。

传统的机体强度计算方法，输入的是螺栓预紧力、热载荷和工作载荷[2][3]，而没有将机体缸套装配过程中的残余应力计算在内。

常规的计算方法，由于忽略了装配过程的模拟，很难真实反映风险点的分布，如水套底部的螺栓搭子处，本文将通过实例介绍如何在考虑残余应力的前提下，利用CAE 分析能力对机体强度进行校核。

1残余应力计算
残余应力是指一个物体，在没有外力和外力矩，温度达到平衡，相变已经终止的条件下，其内部仍然存在并自身保持平衡的应力。

一般导致残余应力起因大致可分为三种。

一是作用于工件外部的外部原因，通常由各种机械加工工艺引起的残余应力。

二是来源于工件受热不均匀而引起的残余应力。

三是由配合连接时而引起的残余应力。

机体上的残余应力，主要是第二种，即铸造过程中的高温使机体产生形变，特别是内嵌铁缸套的铝合金机体，由于热膨胀率不同，铸造过程中温度降低产生显著的残余应力[4][5]。

机体缸套的装配是一个复杂的铸造过程，受到结构、流动、温度等因素的影响，铸造完成还需要利用时效效应消除部分残余应力。

该章节用一种简单可行的方法模拟装配过程，为后续的疲劳强度分析提供计算输入。

1.1计算模型
模型中除了机体和缸套外，还包括机体机加工过程中加工掉的部分，如保证平面度的机体顶部，缸盖螺栓孔，以及缸间的钻水孔。

1.2计算的边界条件计算残余应力时，约束机体底部的三个角，以消除刚性位移。

另外，模拟浇铸过程中的温度变化，设定一个接近铝液融化点的初始温度，整体模型慢慢降温至常温20℃。

1.3残余应力计算结果由于热膨胀系数不同，浇铸过程产生了显著的残余应力，特别是水套底部区域。

而这也是靠近缸盖螺栓底部的区域，该区域由于发动机爆发压力导致交变应力产生，引发疲劳失效风险。

2机体应力及疲劳计算建立机体强度相关模型，选择螺栓加持力、温度场载荷、爆发压力载荷，模拟发动机高周疲劳试验的工况，计算机体的应力分布。

2.1应力计算模型
模型中包含有凸轮轴罩盖、缸盖、气门导管、气门座圈、火花塞、缸盖螺栓、缸垫、缸体和缸套。

2.2计算边界及载荷计算中，考虑到安全余量，螺栓夹持力选取设计范围的最大值，同时把夹持力衰减也作为考虑因素之一，而爆发压力也选择设计范围的最大值。

2.3应力计算结果针对应力计算结果，主要考察螺栓夹持力作用下是不是存在压溃或拉脱现象，以及各缸发火时机体的应力分布情况。

图1所示的是螺栓夹持力作用下的机体应力结果，可以看到，水套底部由于受到螺栓夹持力的作用，拉应力明显高于水套其他区域。

图1螺栓夹持力作用下的应力分
布
2.4高周疲劳计算
由于铸造过程使得机体表面产生细密层，而机体内部由于空隙率的原因，表面的疲劳性能远好于内部的疲劳性能。

按照机体的表面结构，把疲劳计算分成铸造面和机加面两种，分别进行高周疲劳计算。

铸造面考察的是机体外围，特别是螺栓搭子周围的过渡圆角处安全系数；机加面考察的是铸造好的机体再加工形成的区域，如水套钻孔，顶面水槽。

机加面的疲劳属性，可以通过机体取样的试棒的疲劳测试得到，而铸造面的疲劳属性，在某商业软件中，通过表面处理的强化系数这一功能实现。

按发动机1-3-4-2的发火顺序，选取对应的应力结果作为高周疲劳的计算工况，而之前得到的残余应力则作为初始边界条件导入计算。

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—作者简介:柯俊峰（1981-），男，湖北黄石人，硕士，结构强度分析
工程师，研究方向为发动机结构强度。

一种考虑残余应力的机体强度计算方法
柯俊峰;王艳军;陈明
（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海201804）
摘要:在某款车用汽油发动机开发过程中,CAE 早期介入设计,建立完整的发动机整机分析模型,在考虑机体缸套装配过程中产
生的残余应力的前提下,计算发动机工作过程中的应力分布,并最终利用疲劳分析软件计算安全系数,综合评估机体的耐久性能。

通过计算找到机体设计薄弱区域,然后有针对性的进行优化设计,使最终设计达标,为实际项目节约了开发时间和试验经费。

关键词:机体;残余应力;高周疲劳;优化
Internal Combustion Engine&Parts
0引言
目前国内汽车总装车间拧紧设备品牌多样化，尤其是随着设备更新后造成的多品牌共存，对于数据采集造成了一定的困难。

现行的采集方案多种多样，针对接口开发工作量较大，互通性差，容易造成单个工位专机成为连接各个系统的交互点。

本文以ATLAS拧紧工具举例进行数据采集，在控制器上配备Profinet板卡，通过PN总线与PLC通讯进行数据拧紧数据的采集，经由OPC将数据写入上位机，并进行逻辑处理及数据存储。

另外PLC作为核心控制器，同时与机运线等其它第三方系统通讯交互信号。

1系统总体设计
该数据采集系统采用了基于PROFINET的网络架构，整个系统由轮胎拧紧机系统、各工位单轴拧紧机数据采集系统组成。

系统架
构图如图1所示。

图1系统架构
2轮胎拧紧机系统
轮胎拧紧机系统基于PROFINET实现拧紧系统的控制，通过API接口实现数据采集显示，条码通过扫码枪扫
3疲劳结果及设计优化
图2、图3以及图4分别是水套底部、螺栓搭子以及钻孔处的疲劳计算结果。

图2水套底部的疲劳计算结果
图3螺栓搭子处的疲劳计算结果
针对机体外围螺栓搭子和水套钻孔处，通过加大过渡圆角、添加加强筋等方式，可以解决安全系数不达标的问题；针对水套底部，除了上述方式之外，还可以通过调节螺栓高度，减小螺栓夹持力对该区域影响的方式来提升安全系数。

4小结
通过对铸造降温过程的模拟，得到装配前的机体残余应力，然后把装配载荷、工作载荷综合考虑，进行高周疲劳计算，可以更好的分析机体在发动机台架试验和整车试验中耐久性能薄弱点，并根据计算结果有针对性地找到解决措施，使得最终设计的安全系数达标。

相比传统计算方法，该方法计算得到的平均应力大很多，更接近真实情况，计算得到的风险点与实际一致，是一种非常有效的计算方法。

后续可以结合试验手段，对残余应力、装配应力甚至工作应力进行对标，以提升计算精度。

参考文献:
[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1996.
[2]孙耀国，杜海明，周迅，俞小莉.基于有限元的柴油机机体疲劳寿命仿真[J].内燃机工程，2009，08.
[3]Peter krug,Marcus kennedy,James Foss.New Aluminum Alloys for Cylinder Liner Applications.SAE2006-01-0983. [4]李舜酩.机械疲劳与可靠性设计[M].北京：机械工业出版社，2006.
[5]李谷貌.残余应力的产生和对策[M].北京：机械工业出版社，1983.
图4
水套钻孔处的疲劳计算结果
一种汽车总装线拧紧设备数据采集方案
张新震;徐骏升;关欣
（山东中车同力达智能机械有限公司，济南250022）
摘要:随着工业4.0的推进,国内各大汽车主机厂总装线对于拧紧数据的管理要求越来越严格,对拧紧设备提出了数据管理的接口要求。

本文针对总装车间数据采集提出一种可行性的方案,并对其中用到的Profinet、API及OPC等技术进行简要介绍。

关键词:数据采集;拧紧机;OPC PROFINET。