发动机缸体瞬态强度分析

文章编号:1000-0925(2005)01-063-05

260016

发动机缸体瞬态强度分析

胡玉梅1,邓兆祥1,褚志刚1,王　攀2,谭　杰3,张劲松3,卿辉斌3

(1.重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆400044;2.重庆大学研究生创新基地;

3.重庆长安汽车股份有限公司技术中心)

T ransient Strensith Analysis of Engine Block

HU Yu 2mei 1,DENG Zhao 2xiang 1,ZHU Zhi 2gang 1,WANG Pan 2,TAN Jie 3,

ZHANG Jin 2song 3,QING H ui 2bin 3

(1.The State K ey Laboratory of Mechanical T ransmission ,Chongqing University ,Chongqing 400044,China ;2.Inno 2Base for Granduates ,Chongqing University ;3.T echnology Center ,Chang ’an Automotive Stock Company )

Abstract :Facing t he complicacies of an engine block and t he fact t hat it is subjected to multiform dy 2

namic loads during t he engine working ,t his paper builds a detail t ransient st rengt h explicit finite element analysis model ,to simulate t he block ’s dynamic variation during t he engine working.It result s t hat t he over 2all st ress level of t he areas near t he binding blot s connecting engine block ,engine cylinder head and t he t ransmission are t he highest ,but it s fluct uatio n wit h t he engine load are smaller ;t he dynamic st ress and dis 2tortion clo se to t he main bearing housing are higher ,and t heir fluct uation wit h t he engine loads is greater ;t he dynamic and static st ress and distortion of t he block sidewall are almo st of t he same p roportion.Furt her t he st udies indicate t hat t he reasonable modeling of t he block ’s geomet rical const ruction and correct determi 2nation of t he interaction of piston and crankshaft to engine block can make t he t ransient strengt h analysis more accurate and offer some reliable suggestions for t he dynamic st rengt h design of engine block.

摘要:针对发动机缸体结构复杂,工作过程中受到多种交变激振力作用的特点,建立了较

详细的缸体瞬态强度分析有限元模型,模拟了缸体在发动机工作过程中的动态强度变化历程。得出:缸体与缸盖及变速器相连的紧固螺栓孔周围的整体应力水平较高,但随发动机工作负荷变化的波动量较小;缸体主轴承座周围动态应力和变形成分较高,且随发动机工作负荷变化的波动量较大;而缸体两侧壁的动态变形和应力与静态变形和应力水平较低。研究表明:在建模时考虑活塞和曲轴对缸体的接触作用,合理简化缸体结构,准确深入揭示工作过程中缸体的动态强度随时间的变化,为缸体动态结构强度设计提供可靠依据。关键词:内燃机;发动机缸体;瞬态强度;显式有限元分析

K ey Words :I.C.Engine ;Engine Block ;Transient Strengt h ;Explicit Finite

Element Analysis

中图分类号:T K403 文献标识码:A

1　概述

为了满足近年来对发动机性能的迫切需要,以

收稿日期:2003210231

作者简介:胡玉梅(1964-),女,副教授,主要研究方向为发动机及车辆现代结构强度、多物理场仿真模拟、汽车碰撞仿真与结构耐撞性设计,

E 2m ail :ymhu @ 。

某成熟发动机为基础,通过局部修改来提升发动机

功率并达到质量轻,效率高等目标,已成为发动机生产企业常采用的开发具有更高动力性发动机的有效

　第26卷第1期 内　燃　机　工　程 Vol.26No.1　2005年2月 Chinese Internal Combustion Engine Engineering Feb.2005

手段,包括发动机缸体工作负荷的增加和结构改进设计。缸体是发动机的主体结构,必须把握发动机

缸体的动态结构强度。发动机工作过程中,缸体实际上受到的是随时间变化的多种激振力作用,因此结构摸态分析和静强度分析的结果与缸体的实际动力学特征和强度特征之间存在差异,为了更加准确、深入地揭示缸体的动态强度特征,对缸体进行瞬态强度分析是十分必要的。

缸体瞬态强度分析有两个难点:(1)由于其结构复杂,处理不当可能会使求解时间过长使分析变得不现实;(2)缸体与发动机其它部件有相互作用,同时还要受到燃气爆发压力等的作用,对这些复杂的边界条件处理不当,会使分析的结果数据存在较大的误差。本文利用ANS YS/L S 2D YNA 软件,针对发动机缸体的实际结构和受载特点,在长安公司采用新型铝合金材料进行的某直立四缸发动机的全新开发过程中,深入研究了这两个问题,实现了发动机各种工作负荷下缸体的瞬态强度分析。2　缸体有限元模型的建立

在建模中采用了一右手坐标系,其X 轴平行于

曲轴主轴承座中心线,正方向指向发动机扭矩输出端,Y 轴平行于气缸中心线,正方向向上。

为了控制整个瞬态强度分析有限元模型的规模并尽可能真实的反映缸体各点的瞬态强度问题,在建模中仅略去缸体内部细小的油道孔和螺栓孔,同时将缸体两侧和前后端面的加强筋离散为带有厚度的壳单元,整个分析模型如图1所示

。

图1　发动机缸体有限元模型

本分析仅考虑缸盖、活塞、曲轴等对缸体的作用而不考虑这些部件本身的强度问题,对这些部件的建模作了适当的简化处理:如图1所示在缸体顶部向上拉出多层弹性模量较大的实体单元来模拟缸盖对缸体的约束作用;在各缸筒中按活塞直径建一圆柱体并施加活塞在发动机工作过程中所受到的惯性

力及位移载荷,同时在这些圆柱体与缸体之间定义接触关系来模拟活塞对缸体的作用;在缸体各主轴

承座处按曲轴的直径建一圆柱体并在其上施加曲轴在发动机工作过程中所受到的惯性力和气体爆发压力,并在这些圆柱体与缸体之间定义接触关系来模拟曲轴对缸体的作用(如图2)。最终建立的缸体瞬态强度分析有限元模型,单元总数约为10万个,自由度约为78万个,壳单元为Explicit Thin Shell 163单元,实体单元为Explicit 3D Solid 164单元,在普通奔腾四微型计算机上模拟发动机两个工作循环过程耗时约

75h 。

图2　缸体有限元模型剖分图

3　载荷时间历程与约束

缸体所受的载荷包括气体压力、曲轴对缸体的作用力、活塞裙部对气缸内壁的侧推力和缸盖螺栓的预紧力等,它们在发动机工作过程中都是随时间变化的。由于在样机没有制造出来之前无法实测汽缸内气体的压力,分析中选择了与所设计发动机同类的另一发动机的实测汽缸压力随时间变化关系,并将其峰值压力进行调整,使其达到所设计发动机的最大燃烧压力,而峰值压力两边其它点的压力则作协调处理,使其光滑下降到原压力水平,气体压力随时间的变化如图3所示,在分析中将其施加于活塞压缩行程以上部分缸筒和缸盖下表面相应部位;活塞侧推力随时间的变化如图4所示,将其施加于活塞模型上,同时在活塞模型上还施加了其上下运动的位移载荷;主轴承座在缸体垂直方和横向受力

随时间的变化如图5所示,将其施加于曲轴简化模型中心轴线上。

结合缸体实际安装结构和活塞运动规律,在分析中分别对缸体与车架的安装点、缸体与变速器连接点、模拟的活塞和曲轴作了约束处理。由于有限元所解算的节点位移包含刚体位移和变形位移两部分,在激励载荷及其施加方式已定的条件下,不同的约束处理方式,会导致求解结果中所包含的刚体位

・46・内　燃　机　工　程 2005年第1期