发动机缸体瞬态强度分析
汽车发动机活塞系统瞬态动力学特性分析
汽车发动机活塞系统瞬态动力学特性分析汽车发动机作为汽车的“心脏”，其性能对汽车的动力和燃油消耗有着直接的影响。
而发动机的活塞系统是发动机中最为关键的部件之一，其瞬态动力学特性对发动机的工作效率和稳定性具有重要意义。
本文将从活塞系统的重要性、瞬态动力学特性的分析等方面展开讨论。
首先，我们先了解一下活塞系统的作用。
活塞位于发动机缸体内，通过曲轴的转动来产生与发动机缸内混合气的燃烧连接。
它与气缸壁之间的间隙，即气缸套，决定了气缸的密封性和活塞的摩擦损失。
此外，活塞还通过连杆与曲轴相连接，将气缸内的燃气压力转化为曲轴的转动力矩，从而带动汽车行驶。
接下来，我们来重点讨论活塞系统的瞬态动力学特性。
活塞在发动机工作中会受到气缸内燃气压力、曲轴的旋转惯量以及连杆的作用力等因素的影响，这些力的作用会导致活塞产生加速度、速度和位移的变化。
而在活塞上方的燃气压力由喷油系统和点火系统控制，故燃气压力的变化也会直接影响到活塞系统的动力学响应。
在发动机进行燃烧过程中，活塞受到的气体压力是动态变化的。
瞬态工作条件下的发动机，活塞系统需要能够快速响应并适应快速变化的燃气压力，以保证发动机的稳定运行。
因此，活塞系统的瞬态动力学分析非常重要。
为了更好地了解活塞系统的瞬态动力学特性，研究人员通常使用数值模拟方法来模拟和分析活塞系统的运动轨迹和力学特性。
通过建立一套完整的数学模型，可以对活塞在不同工况下的运动状态进行精确预测。
同时，通过对模型的仿真计算，可以得到活塞的加速度、速度和位移等参数，从而评估活塞系统的响应速度和稳定性。
除了数值模拟方法，实验方法也是研究活塞系统瞬态动力学特性的常用手段。
通过在实际发动机上设置传感器和数据采集设备，可以实时监测和记录发动机工作时活塞系统的动力学参数。
通过对这些实验数据的分析，可以更加直观地了解活塞系统在不同工况下的动力学特性，并对其进行优化和改进。
总之，活塞系统作为发动机的核心部件之一，其瞬态动力学特性对发动机的工作效率和稳定性具有重要影响。
发动机缸体强度要求
发动机缸体强度要求
发动机缸体的强度要求是非常重要的，因为它直接关系到发动
机的性能和安全。
一般来说，发动机缸体的强度要求可以从材料、
设计和制造工艺等多个角度来考虑。
首先，从材料的角度来看，发动机缸体通常采用铝合金、铸铁
或镁合金等材料制造。
这些材料都有不同的强度特性，因此需要根
据具体的使用要求和发动机的功率来选择合适的材料。
一般来说，
高性能发动机需要更高强度的材料来承受更大的压力和温度。
其次，从设计角度来看，发动机缸体的设计应考虑到受力情况，包括内部燃烧压力、温度变化、振动和冲击等因素。
合理的结构设
计可以有效地分布和承受这些受力，从而保证发动机缸体的强度。
最后，制造工艺也对发动机缸体的强度有着重要影响。
精密的
铸造、热处理和加工工艺可以提高材料的强度和耐久性，确保发动
机缸体在长时间高负荷运转下不会出现失效。
总的来说，发动机缸体的强度要求是综合考虑材料、设计和制
造工艺等多个因素的结果。
只有在这些方面都得到合理的考虑和实施，才能确保发动机缸体具备足够的强度来满足实际的使用要求。
发动机部件强度和刚度评价及疲劳分析
发动机部件强度和刚度评价及疲劳分析作者：李相旺李欣张志明黄凤琴尹曼莉摘要：某汽油机开发阶段须对发动机各主要部件结构强度和刚度做全面评价，并且须考核缸盖缸体的高周疲劳性能.基于STARCCM+计算出水套内部气体温度和对流换热系数，将其映射到水套有限元网格表面上作为温度边界条件.得到整个机体的温度场分布以后，在考虑各部件接触非线性的基础上，得到机体各部件的应力和变形等结果并进行评价.在有限元分析结果的基础上考虑材料温度非线性，考察缸体缸盖疲劳安全因数.结果表明，缸盖局部应力偏大，下缸体与油底壳接触面局部间隙过大，缸体缸盖疲劳安全性能满足要求.关键词：汽油机；缸盖；缸体；强度；刚度；疲劳；非线性；有限元法中图分类号： U464.1文献标志码： B0引言在发动机设计开发过程中，通过CAE模拟计算考察气缸盖与气缸体等重要零部件的强度、刚度以及耐久性和疲劳特性等，可以为发动机机体各部件开发、优化设计提供依据，并大大缩短开发周期，避免物理样机出来后产生严重的质量问题.国内外已经有一些公司采用CAE软件模拟发动机工作中的实际工况，以考察发动机各零部件的可靠性和耐久性.[1] 本文先建立发动机机体主要部件的有限元模型，在考虑各部件接触非线性的基础上基于Abaqus计算得到各部件的应力、变形结果，并就关心的结果进行评价分析；然后在有限元分析结果的基础上，考虑材料温度非线性，考察缸体缸盖疲劳安全因数.1有限元模型1.1模型说明分析对象为纵置直列四缸发动机，有限元模型见图 1.模型包括缸盖、缸体、缸垫、下缸体、油底壳、简化变速器和各关键螺栓等，其中，缸垫、燃烧室、火花塞和各部件接触区域均采用六面体单元，其余部分采用四面体单元.六面体单元数为290 000个，总单元数为1 130 000个，总节点数为446 000个.图 1整机有限元模型1.2边界条件和载荷1.2.1热边界条件在发动机工作过程中，缸盖和缸体水套中冷却液的流动带走大部分热量.应用CFD软件STARCCM+计算出水套内部气体温度和对流换热系数，然后将其映射到水套有限元网格表面上作为温度边界条件；燃烧室、进排气道、进排气阀座和上下缸体等根据经验和已有的试验数据，赋予温度和对流换热系数值.1.2.2位移边界条件约束进气侧悬置点x，y和z等3个方向平动自由度，约束排气侧悬置点y和z等2个方向平动自由度，约束变速器端面z方向平动自由度.1.2.3接触边界条件在两两相互接触的部件之间建立接触对.如缸盖与缸垫、缸垫不同层之间、缸垫与缸体、缸体与下缸体、下缸体与油底壳、主轴瓦与上下缸体以及主轴瓦之间等都需建立接触，并且在接触时设定冷装配工况下实际的间隙和过盈量.1.2.4载荷和分析工况载荷包括螺栓预紧力、主轴承座力以及热负荷等.在计算热应力时采用顺序耦合分析方法，即先计算得到整个机体的温度场分布，然后将该温度场作为强度计算的热负荷输入.强度计算时定义3个分析工况：工况1为冷装配工况，工况2为在冷装配基础上导入热负荷，工况3则是在前二者基础上施加二缸做功时各主轴承座载荷.2计算结果分析2.1温度场分析整机温度场分布见图2，其中，最高温度在二缸缸套处.图 2整机温度场分布缸盖温度场分布见图3，温度最高处在二缸排气阀座处.图 3缸盖温度场分布缸体温度场分布见图4，温度最高处在两缸之间.缸套为铸铁材料，其许用温度为300 ℃，缸体和缸盖为铝合金材料，其许用温度为255 ℃.各部件的最高温度均未超过材料的许用温度.图 4缸体温度场分布2.2结构分析在进行结构分析时，发动机缸盖缸体温度都比较高，应考虑其材料的温度非线性效应.缸盖的最大主应力场分布见图5，图中，二缸与三缸间缸盖螺栓附近区域1和2位置最大主应力偏高，但绝对值未超过常温下的抗拉极限值200 MPa，建议增大区域1和2处圆角，并适当光滑.图 5缸盖应力场分布缸体的最大主应力场分布见图 6.缸体最大主应力远小于其抗拉强度极限，其强度满足要求.另外，下缸体、油底壳的最大主应力均远小于其抗拉强度极限，强度均满足要求.图 6缸体应力场分布2.3接触开度分析为防止漏油、漏水和漏气，须考察各接触面的密封性，即对各接触面的接触开度进行检查.下缸体与油底壳接触开度分布见图7，下缸体和油底壳在靠近变速器侧4个螺栓孔附近间隙较大，须与密封胶供应商确认密封胶能否弥补该间隙值.图 7下缸体与油底壳接触开度分布2.4缸套径向变形缸套径向变形是发动机整机分析中的重要评价指标之一.缸套径向变形的评价指标是活塞环各阶次的顺应性系数，即考察缸套变形与活塞环变形的顺应程度.沿缸套高度方向取不同截面，可以得到不同截面的径向变形（失圆度变形）.缸套2阶、3阶和4阶变形示意见图8.（a）2阶（b）3阶（c）4阶图 8缸套2阶、3阶和4阶变形示意这些不同阶次的变形是通过将总变形值进行傅里叶变换后得到的.0阶变形表示热膨胀的同心变形[2]，1阶变形表示相对气缸体中心线偏离的偏心变形，2阶变形表示椭圆变形，更高阶表示花瓣类变形.通过比较缸套不同阶变形值与各阶次限值，四缸4阶变形超过限值0.78 μm，但仍在可接受范围内.另外，还可得到缸套沿轴线方向的变形，但没有具体的评价指标，此处不予列出.2.5缸盖缸体疲劳分析缸体和缸盖是发动机最重要的主体结构部件，在发动机工作过程中，由于受到不同缸定期的爆发压力，缸体缸盖承受交变载荷，故须校核其高周疲劳性能.本文选取工况2作为最小应力，工况3作为最大应力，运用等寿命疲劳分析方法（Haigh图理论[3]）计算不同点的疲劳安全因数.另外，在不同温度下材料物理属性会发生变化，因此，本文还考虑温度对Haigh图的影响.缸盖阀座疲劳安全因数分布见图9，可知，缸盖进气阀座处疲劳安全因数最小，为1.98.缸盖疲劳安全因数分布见图10，可知，第二缸和第三缸间缸盖螺栓附近区域最小疲劳安全因数为4.77.缸体疲劳安全因数分布见图11，缸体最小疲劳安全因数出现在第二缸靠近缸垫处，为1.87.缸体缸盖均满足疲劳安全因数1.5的评价标准，在实际工作过程中，缸体缸盖均不会发生高周疲劳破坏.图 9缸盖阀座疲劳安全因数分布图 10缸盖疲劳安全因数分布图 11缸体疲劳安全因数分布3结论对某纵置四缸汽油机进行有限元和高周疲劳分析，并对关注的结果进行评价，得到以下结论.（1）发动机各部件温度均在许用温度范围内.（2）第二缸与第三缸间缸盖螺栓附近区域最大主应力偏高，建议增大该区域圆角并适当光滑.（3）下缸体和油底壳在靠近变速器侧4个螺栓孔附近间隙较大，须与密封胶供应商确认密封胶能否弥补该间隙值.（4）第四缸缸孔径向变形超过限值0.78 μm，但仍在可接受范围内.（5）缸体缸盖均不会发生高周疲劳破坏.参考文献：[1]de JACK M. An overview of Abaqus use in engine engineering at Ford motor company[C]//Abaqus Users’ Conf， 2002： 122.[2]周舟. 发动机气缸盖气缸体一体化三维模拟研究[J]. 车用发动机， 2007（5）： 5661.[3]陈传尧. 疲劳与断裂[M]. 武汉：华中科技大学出版社， 2002.。
371特种发动机气缸体的强度分析及其结构设计毕业设计论文
371特种发动机气缸体的强度分析及其结构设计毕业设计论文1特种发动机简介1.1特种发动机（TCR）的结构组成本文所指的371特种发动机气缸体部分主要由气缸体、活塞、主连杆、摆杆、驱动杆、曲柄等部件组成。
其中主连杆、摆杆、驱动杆、曲柄称为摆杆机构。
图1-1所示：图 1-1OR————曲柄 RL————驱动杆DLQ————摆杆PD————主连杆O————曲轴中心点 P————活塞销中心Q————摆杆支点 D————主连杆与摆杆的节点1.2特种发动机的主要参数及其含义如图1-1所示，ED为气缸中心偏移量，单位为mm；QX、QY分别为Q点的X和Y坐标；β为主连杆对垂直坐标的右偏角；γ为驱动杆对垂直坐标的右偏角；θ为摆杆相对水平坐标的下摆角；Φ为曲柄相对垂直坐标的右转角；λ为摆杆结构角；L点为摆杆与驱动杆之间的节点。
2.特种发动机的运动学分析为了求得活塞中心点P的运动规律，这里采用从下到上的分析方法，即：先求得R点的运动规律，再求得驱动杆与摆杆的节点L的运动规律，再求得主连杆与摆杆的节点D的运动规律，最后求得活塞中心点P的运动规律。
2.1曲柄销R点的运动学分析2.1.1 R点的运动规律以O点为原点中心点建立直角坐标系，则R点的X坐标Rx和Y坐标Ry可以表示为：Rx=OR•sinΦ (2-1) Ry=OR•cosΦ (2-2) 点R的运动速度的两个分量Rvx和Rvy分别可以表示为：Rvx=OR•cosΦ•ω (2-3) Rvy=-OR•sinΦ•ω (2-4) 点R的加速度的两个分量Rax和Ray分别可以表示为：Rax=-OR•sinΦ•ω2（2-5） Ray=- OR•cosΦ•ω2 （2-6）2.2L点的运动规律及γ角的表示2.2.1 L点的位移及γ角的表示如图1-1所示，点L的X和Y坐标有两种表示方法，可以分别表示为：Lx=Rx-LR•sinγ (2-7)Ly=Ry+LR•cosγ (2-8) 和：Lx=QX-LQ•cosθ (2-9) Ly=QY+LQsinθ (2-10) 由(2-7)和(2-9)两式可得：LQ•cosθ=（QX-RX）+LR•sinγ (2-11) 由(2-8)和(2-10)两式可得：LQsin θ=（Ry-Qy ）+LR •cos γ (2-12)将两式平方后相加、并经整理有：2•LR •（QX-Rx ）•sin γ- 2•LR •（Qy-Ry ）•cos γ=（LQ ２－LR ２）－(QX-Rx)2-（QY-Ry ）2(2-13)由于（2-13）式有点复杂，为使其形式简单，这里引进中间变量，故令： SX=2•LR •（QX-Rx ）SY=2•LR •（Qy-Ry ） RQ= 22(QX Rx)(Qy Ry -+-）SS=LQ 2-LR 2-RQ 2 SR=222SX SY SS +-则（2-13）式 可以改写为：SX •sin γ－SY •cos γ－SS ＝0 （2-14）由（2-14）可得出γ角的表达式，但由此方程很难得到γ角的表出式，因此，根据倍角公式做如下的变换：sin γ=22tan(/2)1tan (/2)γγ∙+ (2-15) cos γ=221tan (/2)1tan (/2)γγ-+ (2-16) 对于以上两式，再令tan(γ/2)=μ，在将其带入（2-14）式，经整理得： （SY-SS ）•μ2+2•SX •μ-(SY+SS)=0 (2-17)解一元一次方程（2-17）得μ1，2 =SX SR SY SS-±- （2-18） 将μ还原成tan(γ/2)，且对本结构而言，只能用其正号解，故得：γ=2•arctan SR SX SY SS-- (2-19) 公式（2-19）为γ角与点R 的轨迹之间、也即与Φ角之间的关系式。
车用柴油机气缸体强度的有限元分析
车用柴油机气缸体强度的有限元分析发表时间：2009-11-17 刘云来源：万方数据关键字：气缸体有限元子模型疲劳分析信息化应用调查我要找茬在线投稿加入收藏发表评论好文推荐打印文本采用Pro／E和HyperMesh对改进后的某车用柴油机气缸体进行了三维实体建模和网格划分，基于ABAQUS分析平台计算了改进后的机体应力分布情况；同时结合凸轮轴孔子模型，采用Fatigue软件进行高周疲劳分析。
计算结果表明：改进后凸轮轴孔处的疲劳安全系数均大于1．1，满足疲劳强度设计要求。
引言机体作为安置气缸和曲柄连杆机构以及其它辅助机构的主体骨架构件，承受着极为复杂的载荷，其刚度、强度以及动态特性对发动机的动力性、经济性和可靠性有着很大的影响。
随着欧Ⅲ、欧Ⅳ柴油机的研制和生产，不断提高的爆发压力和强化指标，对柴油机机体的刚度、强度和动力特性都提出了更加严格的要求。
有限元法作为一种通用的数值分析方法，是目前研究机体类复杂结构受力最为可靠和有效的方法。
本文采用有限元子模型技术及ABAQUS软件中的非线性接触分析模块，对改进后的某车用柴油机气缸体进行有限元强度分析，结合疲劳分析软件MSC．Fatigue重点考察凸轮轴孔子模型的疲劳安全强度，对改进措施进行分析和评价。
1 有限元模型的建立图1 机体有限元模型采用Pro／E和HyperMesh对该车用柴油机前三缸气缸体、框架、主轴瓦、凸轮轴瓦、主轴承螺栓等进行三维实体建模和网格划分。
为了保证有限元计算的准确性，仅对计算精度影响较小的螺钉孔和销钉孔进行适当简化，划分网格后的机体有限元模型如图1所示。
为重点考察改进后凸轮轴孔处的强度，取凸轮轴孔部位建立计算子模型，以获得较为精确的结果。
有限元模型采用10节点四面体单元，各零部件的单元数目和节点数目如表1所示。
表1 机体计算模型中各零件的单元数与节点数2 载荷与边界条件由于重点考察主轴承力对机体尤其是凸轮轴孔的影响，故对机体顶面节点进行约束。
航空航天发动机的强度与温度分析
航空航天发动机的强度与温度分析随着科技的不断进步与发展，航空航天也开始进入了新时代。
航空航天发动机就是其中的重要组成部分。
发动机是飞机或者航天器的心脏，它的运行状态对飞机或者航天器的安全使用有着决定性的影响。
发动机的强度与温度分析是了解航空航天发动机运行状况的重要手段。
一、航空航天发动机的强度分析航空航天发动机的强度有两种：材料强度和构件强度。
材料强度是指材料在受到外力作用下所能承受的最大应力，而构件强度是指构件在受到外力作用下所能承受的最大应力。
材料强度是影响航空航天发动机整体强度的重要因素之一。
通常，航空航天发动机的材料要求具有较高的强度和韧性，以保证其能承受瞬时负荷和可能的疲劳损伤。
对于不同的发动机，需选用适当的材料。
例如，高温合金材料可用于高温部件，而高强度钢等材料可用于承受高负荷的部件。
构件强度是航空航天发动机强度分析的另一个重要方面。
在发动机运行过程中，多种机件都会受到外力的作用，例如叶片、转子、轴和涡轮盘等件。
构件强度的分析要考虑到构件所承受的多个因素，比如机件的几何形状、材料的特性、应力的作用方向等。
二、航空航天发动机的温度分析温度是航空航天发动机性能分析的关键参数之一。
发动机的温度会直接影响到发动机的使用寿命以及整个飞行过程的安全。
发动机受热温度与气氛温度、空速、机型、飞行高度等因素息息相关。
航空航天发动机的温度分为高温和低温两种情况。
高温是指发动机受到高温影响，如高温气流、高温剧烈震动等，会导致发动机性能降低。
低温是指由于氧气较稀薄等缘故，导致发动机低效运行的情况，从而影响发动机性能。
为了保证航空航天发动机在高温环境下正常运行，需要对其温度进行监测和分析。
通过发动机的温度分析，可以了解其运行状态以及是否存在过热、过冷等问题，从而及时进行调整和维修。
三、结论航空航天发动机的强度和温度分析是保证其正常运行和延长其使用寿命的关键因素。
强度和温度的分析与监测及时的维护和调整，可以为飞行带来更多的安全性和可靠性，提升航空航天的利用价值和发展前景。
汽车发动机缸体的热处理与强度提升
汽车发动机缸体的热处理与强度提升汽车发动机作为汽车的核心部件，其性能和可靠性直接影响着汽车的整体表现。
而发动机缸体作为发动机的重要组成部分，承受着高温、高压和高速运动带来的巨大应力和磨损。
为了确保发动机缸体具有足够的强度、耐磨性和抗疲劳性能，热处理工艺成为了关键环节。
一、汽车发动机缸体的工作环境与性能要求汽车发动机在工作过程中，缸体内部燃烧的混合气产生高温高压，推动活塞往复运动，从而将化学能转化为机械能。
这一过程中，缸体需要承受高温、高压、机械应力和摩擦等多种作用。
首先，高温会导致缸体材料的强度下降，同时还可能引发热膨胀和热变形，影响发动机的密封性和工作精度。
其次，高压气体作用在缸体壁上产生巨大的压力，要求缸体具有足够的抗压强度。
再者，活塞与缸体之间的摩擦会导致磨损，需要缸体具备良好的耐磨性。
此外，发动机在长期运行中还会经历频繁的启动、加速、减速等工况变化，这就要求缸体具有优异的抗疲劳性能，以防止出现裂纹和损坏。
二、常见的汽车发动机缸体材料目前，汽车发动机缸体常用的材料主要有铸铁和铝合金两种。
铸铁缸体具有良好的耐磨性、耐高温性和抗压强度，成本相对较低。
其中，灰铸铁由于其良好的铸造性能和机械性能，被广泛应用于中低端车型的发动机缸体制造。
球墨铸铁则在强度和韧性方面更具优势，适用于高性能发动机。
铝合金缸体具有重量轻、散热性好的特点，能够有效降低发动机的整体重量，提高燃油经济性。
但其耐磨性和耐高温性相对较差，通常需要采用特殊的处理工艺来提高其性能。
三、汽车发动机缸体的热处理工艺1、退火处理退火是将缸体加热到一定温度，然后缓慢冷却的过程。
其目的是消除缸体在铸造或加工过程中产生的内应力，降低硬度，改善切削加工性能。
对于铸铁缸体，退火还可以细化晶粒，提高组织均匀性。
2、正火处理正火是将缸体加热到较高温度，然后在空气中冷却。
正火可以提高缸体的硬度和强度，改善综合力学性能。
对于铝合金缸体，正火处理可以消除铸造应力，提高尺寸稳定性。
利用有限元分析方法研究汽车发动机缸体的刚度优化设计
利用有限元分析方法研究汽车发动机缸体的刚度优化设计随着汽车科技的不断发展，汽车发动机的性能和效率得到了极大的提升。
作为发动机的核心部件，缸体的刚度优化设计对于提高发动机的工作效率和可靠性至关重要。
本文将利用有限元分析方法来研究汽车发动机缸体的刚度优化设计。
首先，有限元分析是一种广泛应用于工程领域的数值分析方法，可以对结构在不同工况下的力学特性进行模拟和分析。
通过建立一个合适的有限元模型，可以准确地预测缸体在不同受力情况下的应力分布和变形情况。
在进行有限元分析前，需要对缸体的几何形状进行建模。
将缸体分为多个单元，每个单元都具有自己的材料性能和几何形状。
然后，通过在每个单元上应用适当的力和边界条件，可以模拟实际工况下的受力情况。
有限元分析的第一步是对缸体进行网格划分。
合适的网格划分对于结果的准确性和计算效率具有重要影响。
较为典型的划分方法包括四边形单元和六面形单元。
这些单元的尺寸和形状需要根据具体情况进行选择，以保证模拟结果的准确性。
在模拟过程中，我们考虑不同的工况，例如发动机在启动、加速和高速行驶等运行状态下的受力情况。
通过对这些工况下缸体的有限元分析，可以获得缸体的应力和变形情况。
在分析结果的基础上，我们可以对缸体的结构进行优化设计。
例如，在关键应力集中区域加强材料或改变缸体的几何形状，以提高其刚度和强度。
同时，优化设计还需考虑到缸体的质量和成本，以实现一个最佳的设计方案。
通过有限元分析方法进行缸体的刚度优化设计可以带来诸多好处。
首先，准确的应力和变形分析可以帮助工程师更好地理解缸体在不同受力情况下的性能。
其次，优化设计可以提高缸体的刚度和强度，从而提高整个发动机的工作效率和可靠性。
总结而言，利用有限元分析方法进行汽车发动机缸体的刚度优化设计是一种有效的手段。
通过建立合适的有限元模型和进行准确的应力和变形分析，可以实现缸体设计方案的优化。
这种方法为提高汽车发动机的性能和可靠性提供了一种有效的工具。
航空发动机瞬态热力学性能分析
航空发动机瞬态热力学性能分析航空发动机是现代飞机的核心部件，其瞬态热力学性能分析对于提高发动机的工作效率和可靠性至关重要。
本文将通过对航空发动机瞬态热力学性能分析的探讨，来深入了解该领域的研究现状和未来发展方向。
一、瞬态热力学性能的概念与意义瞬态热力学性能是指发动机在工作过程中随着时间和工况的变化所表现出的性能特征。
航空发动机在运行过程中，由于油门开度、高度、速度、气温等因素的变化，会导致工作状态的瞬时波动。
瞬态热力学性能的分析可以有效评估发动机性能的稳定性和适应性。
在实际应用中，航空发动机的瞬态热力学性能分析可以用于以下方面：首先，预测发动机在不同工况下的性能参数，如推力、油耗等，可以帮助飞行员选择最佳工况以提高飞机性能。
其次，通过瞬态热力学性能分析，可以找出发动机工作过程中的不稳定因素，并进行优化设计，提高发动机的可靠性和寿命。
此外，瞬态热力学性能分析还可以为航空发动机的故障检测和诊断提供依据，提高发动机的故障识别率和维修效率。
二、瞬态热力学性能的分析方法目前，航空发动机瞬态热力学性能的分析方法主要有两种：基于数值计算和基于试验数据。
基于数值计算的方法主要是运用流体力学、热力学和传热学等基本理论，建立发动机的数学模型，通过求解模型方程来获得发动机在不同工况下的瞬态热力学性能。
这种方法具有高精度和较低成本的优势，但也存在一定的局限性，例如需要大量的计算资源和较长的计算时间，对模型边界条件的选取和经验参数的确定要求较高。
基于试验数据的方法则是通过对航空发动机在实际工作条件下的试验数据进行分析，推导出瞬态热力学性能与工况参数之间的关系。
这种方法不仅减少了计算的复杂性，还能直接反映出发动机在实际工作状态下的性能指标。
然而，由于试验成本高昂、工况参数难以控制等原因，基于试验数据的方法在实际应用中受到一定的限制。
三、瞬态热力学性能分析的挑战与展望尽管航空发动机的瞬态热力学性能分析已有较多成果，但仍存在一些挑战和需要解决的问题。
航空发动机结构强度分析与优化设计
航空发动机结构强度分析与优化设计航空发动机是航空运输中最重要的动力装置之一，发动机的结构强度是其可靠性和性能的重要保障。
因此，航空发动机结构强度分析和优化设计是现代航空工业中的热门问题。
一、航空发动机的结构与强度分析航空发动机的结构包括燃气轮机、涡轮增压器、销轴及支撑结构等。
这些结构部件在航空运输中承受着巨大的力和压力，容易产生损伤和疲劳。
因此，为确保航空发动机的安全性和长期使用，必须对其结构进行强度分析。
航空发动机的强度分析主要包括材料力学分析和结构有限元分析两个方面。
材料力学分析是通过应力-应变关系、疲劳寿命、断裂韧度等参数来描述材料的力学性能，从而确定结构安全的材料选择和设计理念。
而结构有限元分析则是通过计算机数值方法对结构进行分析，得到结构的应力分布和变形情况，发现结构中的弱点，进行结构的优化设计。
二、航空发动机结构强度优化设计航空发动机结构强度的优化设计是在满足性能指标的基础上，通过改进结构形式、减少重量等手段，提高结构的强度和减少结构的重量。
其主要任务是提高航空发动机的性能、减少成本、延长使用寿命，以及提高其可靠性。
（一）结构形式优化结构形式优化是指通过改变整个结构的形式、大小和布局，以达到最佳设计目标的设计方法。
例如：对内部钢壳和球形部位的的结构以及叶片和桨叶的设计等进行优化。
这样的优化方法可以改变发动机的总体布局，使得发动机的总体性能更加优越，结构强度更强。
（二）减少结构材料将合适的工程材料选用在正确的位置，能够使结构最大限度地发挥其强度，而不会过度使用曾经高成本的材料。
例如，使用更轻量化的材料，如复合材料或轻合金等，以减少结构中的重量以及最大限度地发挥其强度。
（三）降低外部能减轻负荷在设计航空发动机时，需要考虑在飞行期间不同条件下对其可能产生的负荷。
通过在空气动力设计中的应用，减少机身周围的风阻可以降低外部负荷，这样可以减少该问题对结构的影响。
通过以上这些优化技巧，就可以制造出更轻而强度更大的航空发动机，从而满足空中运输的需求，优化设计可以大大提高其性能及使用寿命，减少解体和故障的风险，使航空运输更加安全。
基于ANSYS的发动机缸体综合分析
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3）添加材料属性，膨胀系数
（4）删除原分析的热分析边界条件， 施加新的边界条件 （5）求解计算
（6）结果后处理，获得所需结果的显 示形式
所需要增加的材料参数：线膨胀系数 Thermal Expansio ALPX 分析目的：获得热变形量以及热应变应 力值
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结构变形
最大变形为1.2mm，出现在缸桶两端薄壁 位置
2.增大散热通道的面积
源于：CAE学术论坛
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等效应力云图
最大值为105Mp，出现在厚大的位置
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分析评价
（1.）由于柴油机缸体的刚度较 大所以静力分析中变形较小， 模态分析中低阶模态频率高， 保证不会出现怠速引起的更大 噪声和振动。 （2.）热分析中根据最大热应力 值出现位置和最大合位移变形 位置给予两点建议
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1.适当加厚钢桶嵌套厚度，减薄缸筒间的厚大连接部分
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节点热通量云图：
热通量（热流密度）的大小和方向可 以表征热量转移的程度和方向。
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热结构耦合分析
问题分析：利用间接法求得所需结果。
基本步骤：
（1）定义分析类型为结构分析Structure
（2）转换单元，把热分析单元变成结构单 元Element Type → Switch ElemType279 →186
基于ANSYS的某柴油发动机缸体 综合分析
一.概述
二.静力学分析
三.模态分析
四.瞬态热分析
五.热结构耦合分析
2
概述
各分析的必要性：
静力：柴油机爆发压力大，工作 粗暴，模拟上止点左右位置 模态：考虑低转速或怠速工况下 噪声，与振动。
发动机缸头模态、刚度分析
1.分析目的对新开发的缸头进行校核分析，检查其模态、热变形、刚度是否满足要求。
2.模态的计算缸头网格大小3mm，其材料弹性模量E=7.2e4MPa、泊松比0.3、密度ρ=2.7e-9T/mm3 ，考察1-12000Hz频率内缸头的自由模态。
模型如下：计算结果如下：前三阶计算结果：第一阶1694Hz 第二阶2432Hz第三阶2604Hz 凸轮轴第一阶4946Hz由上图可知缸头的第一阶模态频率1694Hz，而凸轮轴第一阶模态频率4946Hz 两者相错开；而且缸头前三阶的振型接线位置基本都在凸轮轴支架上。
模态分析满足要求。
模态频率分布第一阶频率分布与链轮的频率错开）缸头第一阶1694HZ，凸轮第一阶4946Hz合格缸头的前3阶阵型的节线位置尽量放置在凸轮轴支架上缸头前三阶基本在凸轮轴支架上合格3.缸头螺栓预紧力状态下缸头的不均匀度校核3.1 螺栓预紧力校核约束缸头底面3个方向的自由度，每个螺栓施加螺栓预紧力34500N。
链条腔侧螺栓预紧力为12000N。
3.1.1座圈轴向变形差计算结果进气链前0.59-0.10=0.49S 0.61-0.19=0.42S排气链前0.58-0.06=0.52S 0.62-0.16=0.46S 3.1.2密封性计算结果由计算结果可知链条腔侧的最小面压为8Mpa。
燃烧室周围最小面压为18.3Mpa参考标准计算值结论链条腔>1Mpa 7.3 合格燃烧室>8.55Mpa(一倍缸压）15.3 合格3.2 750螺栓预紧力校核3.2.1座圈轴向变形差计算结果进气链前0.36-0.12=0.24S 0.37-0.12=0.25S排气链前0.32-0.04=0.28S 0.34-0.02=0.32S缸头螺栓预紧力作用下各项指标计算结果考察考察内容参考指标计算值结论项目188M Q螺栓预紧力作用下缸头的刚度凸轮轴轴承座的径向静变形<=3S / / 座圈的轴向变形差<0.4S链条腔侧进气座圈0.49S 不合格进气座圈0.42S 不合格链条腔侧排气座圈0.52S 不合格排气座圈0.46S 不合格燃烧室周围面压>8.55Mpa(一倍缸压）15.3 合格链条腔侧面压>1Mpa 7.3 合格同一摇臂轴两端的竖直方向变形差<2S//750螺栓预紧力作用下刚度座圈的轴向变形差<0.4S链条腔侧进气座圈0.24S合格进气座圈0.25S合格链条腔侧排气座圈0.28S合格排气座圈0.32S合格4.燃烧室刚度分析4.1 燃烧室刚度分析在燃烧室施加燃气爆发缸压，约束缸头底面和上端螺柱孔3个方向自由度，考察座圈的轴向变形量。
发动机缸体模态、刚度、温度分析
1.问题描述：对188MQ水冷缸体进行校核，考察是否满足设计要求.2.问题分析：主要是分析缸体的模态、温度场、热应力、热变形和刚度。
3.缸体分析过程：3.1自由模态计算分析建立有限元模型，采用3mm网格尺寸。
缸体材料属性：铝合金弹性模量取72000，泊松比取0.3，密度为2.7e-9T/mm3。
对1~12000Hz频率的模态进行计算。
自由模态计算结果前四阶模态2183Hz 2849Hz3062Hz 3344Hz4010Hz由上述可知缸套在特定的频率内无局部振型，缸套头部出现的振型在施加螺栓预紧力后可消除。
3.2温度场计算3.2.1边界条件缸体的热传导系数取163W/m*k，比热为900J/（kg0C）；水的热传导系数取1500W/m*k；机油温度400K，环境温度300K。
边界条件如下所示：在燃烧室位置施加2625.14°的一个周期气缸等效温度值，温度施加如下：3.2.2温度场计算结果缸体计算结果，最高温度485K由分析结果可知：温度场分布均匀，小于设计要求最高温度550K满足要求。
3.3热应力计算边界条件导入温度场的计算结果和对缸套顶部施加一个轴向和径向的约束，如下图所示; 计算结果由计算结果可知:缸套的热应力为164.4Mpa ，小于设计要求300Mpa。
3.4热变形计算由计算结果可知：左右11.8+10.3=22.1S,前后10.0+10.3=20.3S,变形差22.1-20.3=1.8S，缸套的径向热变形差小于4S。
满足设计要求。
3.5螺栓预紧力下刚度分析3.5.1密封性分析参考标准计算值结论缸体下端面>1Mpa 15.3Mpa 合格3.5.2缸套变形分析左右1.91-0.45=1.46S ,前后1.15-0.18=0.97S,变形差1.46-0.97=0.49S小于2S，满足要求。
3.5.3缸体侧压力分析缸体底面约束3个方向自由度，在活塞位置施加气缸体侧压力5200.2N。
航空发动机瞬态响应特性建模与分析
航空发动机瞬态响应特性建模与分析随着航空业的快速发展，航空发动机在飞行过程中的瞬态响应特性成为研究的焦点之一。
发动机的瞬态响应特性对于飞机的性能和安全至关重要。
本文将对航空发动机的瞬态响应特性进行建模与分析，以期加深对该领域的了解。
首先，我们需要明确什么是航空发动机的瞬态响应特性。
瞬态响应特性指的是发动机在受到外界扰动或发动机参数发生变化时，其输出量与输入量之间的动态响应关系。
瞬态响应特性的研究可以帮助了解发动机的动态行为，从而有助于优化设计和提高性能。
为了建模航空发动机的瞬态响应特性，我们可以采用数学方法来描述发动机的运行过程。
常用的方法包括状态空间模型、传递函数模型和微分方程模型。
不同的模型方法有各自的优劣势，选择适合的模型方法需要综合考虑实际情况和研究需求。
在模型建立的过程中，我们需要考虑到航空发动机的各个组成部分、能量转换和传递过程以及非线性因素的影响。
这些因素对于发动机的瞬态响应具有重要影响，需要在建模过程中加以考虑。
具体建立模型时，我们可以根据发动机的主要参数进行分类。
常见的参量包括转速、温度、压力等。
对于每个参数，我们可以进行动态分析，得到参数变化对发动机输出特性的影响。
通过对多个参数的综合分析，我们可以建立一个全面的瞬态响应模型。
模型建立完成后，我们可以通过仿真来对发动机的瞬态响应特性进行分析。
仿真可以帮助我们模拟发动机在不同工况下的响应情况，评估发动机的性能和安全指标。
同时，仿真还可以帮助我们进行参数优化和故障诊断等工作，提高发动机的可靠性和可用性。
除了建立模型和进行仿真，我们还可以借助实验方法对发动机的瞬态响应特性进行分析。
实验可以帮助我们验证和修正模型，从而提高模型的准确性和可靠性。
通过实验，我们可以获得大量的实测数据，并与模型预测结果进行比较，进一步改善我们对发动机瞬态响应特性的理解。
最后，我们还可以根据航空发动机的瞬态响应特性，提出相应的优化措施和改进方案。
例如，通过调整控制系统的参数和策略，可以改善发动机的瞬态响应特性，提高发动机的动态性能和控制精度。
基于ANSYS Workbench的四缸引擎瞬态分析
10.16638/ki.1671-7988.2017.14.053基于ANSYS Workbench的四缸引擎瞬态分析薛姣（河南机电职业学院，河南郑州451191）摘要：汽车发动机是汽车最重要的部件之一，它的力学性能的优劣直接影响着汽车的动力性和可靠性。
随着科学技术的发展，发动机的性能不断的提高以及发动机缸体结构的复杂性，实际工作过程中受多种交变激振力等特点，建立较为详尽的缸体瞬态强度分析，为缸体强度分析提供可靠依据。
关键字：汽车发动机；瞬态分析；ANSYS Workbench中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)14-153-03The transient analysis of four-cylinder engine based on ANSYS WorkbenchXue Jiao( Henan electromechanical vocational college, Henan Zhengzhou 451191 )Abstract:Automobile engine is one of the most important parts of automobile, its mechanical properties are directly influenced by its dynamic and reliability. With the development of science and technology, the performance of the engine keep improving and the complexity of the engine cylinder block structure, the actual work process by various characteristics of alternating exciting force, set up a more detailed analysis of the transient cylinder body strength, to provide reliable basis for the analysis of the intensity of cylinder body.Keywords: automobile engine; Transient analysis; ANSYS WorkbenchCLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)14-153-031概述人们生活水平的提高，带动着人们消费观念的改变。
航空发动机瞬态性能分析及优化
航空发动机瞬态性能分析及优化第一章绪论航空发动机作为航空器的核心装备之一，其性能与稳定性对飞行安全和机动性能的影响极大。
为了保证飞机正常运行，提升航空器的性能，研究航空发动机的瞬态性能分析及优化显得尤为重要。
本文将从航空发动机的瞬态性能分析及优化两方面展开，着重介绍了航空发动机瞬态性能评估方法、瞬态性能优化思路、瞬态性能试验及模拟技术，为进一步提升航空发动机的瞬态性能提供理论依据和实践指导。
第二章航空发动机瞬态性能分析2.1 瞬态性能的概念航空发动机的瞬态性能是指在特定的工作状态下发动机动态响应能力的表现。
瞬态性能对航空发动机的加速性、负荷能力、受干扰能力等指标有着直接的影响。
2.2 瞬态性能的评估指标航空发动机瞬态性能的评估指标包括加速响应特性、负荷响应特性、受干扰特性等。
其中最重要的评估指标是加速响应特性。
2.3 瞬态性能评估方法瞬态性能评估方法主要包括试验法、计算模拟法和分析法。
其中试验法是最直接和准确的评估方法，但试验成本高、周期长。
计算模拟法是对试验法的补充和替代，能够给出较准确的预测结果，但该方法还需要不断改进。
分析法主要是根据机理分析的方法预测发动机的瞬态性能。
第三章航空发动机瞬态性能优化3.1 瞬态性能优化思路航空发动机瞬态性能优化思路一般为三步，即瞬态性能分析、目标函数设置和优化方案制定。
优化的目标是使发动机在瞬态工作过程中尽可能达到高效、稳定、安全、可靠的工作状态。
3.2 瞬态性能优化策略瞬态性能优化策略主要包括改进设计、改进控制和优化匹配三个方面。
改进设计是通过改进发动机的结构和部件以提高其响应能力；改进控制是通过调整主要控制参数来提高瞬态工作能力；优化匹配是通过改变部件之间的匹配配合来提高发动机的瞬态性能。
3.3 瞬态性能优化实现瞬态性能优化实现主要通过发动机的试验和模拟来实现。
试验是验证和评价改进方案的最重要手段，模拟可以在更快的时间内有效验证改进方案的有效性。
第四章航空发动机瞬态性能试验及模拟技术4.1 航空发动机瞬态性能试验航空发动机瞬态性能试验需要选取合适的试验台架、数据采集系统以及试验方法和试验条件，以获得准确可靠的试验数据。
基于ANSYS的发动机缸体模态分析
基于ANSYS的发动机缸体模态分析文章以某四缸发动机缸体为研究对象，采用ANSYS软件进行模态分析。
首先在UG软件中建立发动机缸体的三维实体简化模型；然后将发动机缸体的模型导入ANSYS软件中划分网格；最后采用自由模态方式进行分析，获得发动机缸体的各阶固有频率和振型，分析发动机工作时外在激励对缸体的影响，为发动机缸体的优化设计和动力学分析提供理论依据。
标签：发动机缸体；实体模型；有限元；模态分析；振型1 概述发动机缸体是构成发动机的基体，起着保证发动机的动能产生和动力输出的作用。
发动机工作过程中，缸体承受着气缸内混合气燃烧所产生的爆发力、活塞连杆往复运动惯性力等周期性的载荷，这些载荷形成周期性激励。
发动机缸体质量较大，振动时对整车的影响也较大。
为了防止周期性的激励引起发动机缸体的共振，需要获得其固有频率和振型，从而在设计时避开外在激励频率，因此有必要因此有必要分析发动机缸体的模态。
典型的无阻尼模态分析是经典的特征值求解问题[1]：式中，K-刚度矩阵；？啄i-第i阶模态的特征向量；Wi-第i阶模态的固有频率；M-质量矩阵。
发动机缸体为铸造的箱体类零件，其表面上分布着各种凸台、加强筋和轴承孔，内部有气缸套、水套、油道孔和一些纵、横隔板等，结构很复杂，无法用单一的数学模型进行模态分析。
随着计算机硬件和软件技术的发展，采用计算机进行有限元分析已经成为一种切实有效的方法。
ANSYS是一种通用工程有限元分析软件，广泛应用于汽车、机械、电子、航空航天等各种领域[2]。
虽然ANSYS软件具有强大的有限元分析功能，但其几何建模功能相对较弱，在ANSYS软件中对复杂的发动机缸体建模相当困难。
因此，本文先在三维建模软件Unigraphics（以下简称UG）中建立发动机缸体的三维实体模型，然后导入ANSYS中进行模态分析。
2 发动机缸体实体模型本文以某四缸柴油机缸体为研究对象。
建立有限元模型时，理论上应详细表达缸体结构特征以准确分析，但模型过于复杂会导致难以计算，因此有必要对缸体模型进行简化。
汽油发动机瞬态工况燃烧规律的试验分析
0引言汽油发动机在正常使用中，很长时间都处于瞬态工况中，瞬态工况自身的规律也比较复杂，最典型的就是定转速变工况和定扭矩变转速工况，其实质也正是多个定转速变工况和定扭矩变工况的组合。
瞬态工况与稳态工况相比，无论是经济性还是环保性都有着很大的不同，一般来说瞬态工况的污染物排放是要高于稳态工况的。
这种污染物排放产生的本质，就在于其内部的燃烧规律，因此，对于燃烧规律的研究对瞬态工况不断完善有着很重要的作用。
1燃烧模型的建立1.1瞬态双区燃烧模型的建立1.1.1瞬态双区燃烧模型建立的指导思想在模型建立的指导思想下，可以把瞬态过程看做为稳态过程之间相互过渡的中间过程，也就是准稳态的过程，而稳态过程指的则是发动机正常进行工作时它的一些负荷或者转速，不会因为燃烧时间变化而变化，相对来说比较稳定。
因此可也把负荷和转速都在发生改变的瞬态过程看作为一种稳定工况下的连续数据变动集合。
因此在这种基本思想下，本文瞬态双区燃烧模型的建立，其实质并非是实际的瞬态模型，而是稳态过程中运行点按加速时间的连续集合，按照这种思想，就能对整个燃烧模型有着更准确的认知。
1.1.2模型建立要点在建立瞬态双区模型前，要进行以下的要点假设。
首先，进入气缸内的工质不能泄露，并且最好是一种合理分布，这也要求气缸内的压力和温度都是平衡分布的。
其次，气缸内的火焰要有着一种明显的界限，将未燃和已燃都要区分开来。
并且做好隔离，这个区域之间没有热量的传递，热量传递只会在汽缸壁和两个区域之间进行，而不能相互传递。
最后未燃区和已燃区之间的气体都可以看作为试验理想气体，并且未燃区内的气体不会发生质的变化。
做好这些假设，可以将以球状火焰半径设为R ，然后将未燃区和已燃区分别用V a 和V b 来表示，而未燃区和已燃区的平均温度则为T a 和T b ，燃烧室的压力则为P ，然后就可以得出以下方程。
首先，气体状态方程为PV a =m a R a T a 以及PV b =m b R b T b 。
发动机热-结构瞬态方法分析
发动机热-结构瞬态方法分析董亚男【摘要】对发动机进行热-结构耦合研究,对发动机的设计和改进具有重要的实际意义.本文将应用ANSYS软件,采用瞬态研究方法研究发动机气缸垫的受热及受力情况.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】2页(P65-66)【关键词】发动机;热-结构;瞬态【作者】董亚男【作者单位】辽宁铁道职业技术学院,锦州 121000【正文语种】中文发动机工作时气缸内混合气温度可达到2200～2800K，压力可达到3000～6000kPa。
高温高压能造成缸体、缸垫、缸盖等零件发生剧烈变形。
若冷却不充分，容易造成机体过热，效率下降，燃烧不充分等现象。
若温度变化过快，也会造成发动机工作粗暴，使用寿命下降，零件变形，工作效率下降。
因此，研究发动机进行热-结构耦合对发动机的设计和改进有着重要的实际意义。
本文将应用ANSYS 软件模拟计算发动机的工作，采用瞬态研究方法研究发动机气缸垫的受热及受力情况。
稳态分析通常用于研究稳定的热载荷对系统或部件结构的影响。
一般，在瞬态分析之前先进行稳态分析，明确温度等初始分析[1-2]。
瞬态分析用于研究随时间变化的温度场及其他参数。
通常对温度场的计算采用瞬态分析，并将其作为热载荷进行应力分析。
瞬态分析过程随着时间不断变化。
因此，对温度场、流场、结构进行瞬态分析时，需要设定初始条件。
初始条件可以使用稳态或瞬态条件。
通常，将稳态分析结果作为瞬态分析的初始条件。
使用SolidWorks软件建立发动机的缸盖、缸体、气缸垫、螺栓和垫圈等五个部分的几何模型，模型整体装配如图1所示，缸垫模型则如图2所示。
进行热分析时，网格划分需要达到足够密才能确保计算精度。
特别是瞬态热-力非线性耦合分析，对模型网格划分有很高的要求。
模型网格划分大部分采用六面体，无法生成六面体时使用四面体。
划分后节点55万，单元19万。
自由表面边界条件：发动机暴露在大气中的各个表面定义为自由表面，自由表面换热量少，使用ANSYS软件中标准换热系数，周围环境设定为22℃。
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文章编号:1000-0925(2005)01-063-05260016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 BlockHU 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 2namic 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 FiniteElement Analysis中图分类号:T K403 文献标识码:A1 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 图3 气体压力随时间的变化图4 活塞侧推力的随时间的变化图5 主轴承座在缸体垂直方和横向受力随时间的变化移分量的不同。
为了兼顾缸体在实际工作中的安装方式,对缸体进行了两种约束处理方式下的分析:一种是按缸体与车架的实际安装位置进行约束处理,一种是将缸体的底部进行约束(如图6)。
分析结果表明,与实际约束相比,底部约束由于最大限度地消除了缸体上各点的刚体位移,使分析结果能更好地反映缸体在实际载荷下的变形和应力状态,同时分析中还研究了气缸垫对缸筒顶面的影响。
结果表明,若考虑气缸垫对缸筒的约束作用时,缸筒上端的最大位移量不足0.04mm ,这说明气缸垫对缸筒的约束作用是很小的。
本文给出缸体底部约束下的主要分析结果,并进行讨论。
图6 缸体底部约束的施加4 结果与讨论如图7所示右图为某时刻发动机缸体各点的变形分布云图,由图中可知,其较大变形均出现在各螺栓孔及缸壁附近。
左图为第2缸筒水泵侧缸体上一节点(如图7中小圆圈所示)在缸体前后方向、横向uz 、铅垂方向uy 变形的时间历程曲线,由图中曲线可知,该节点在缸体横向和铅垂方向的振动比较剧烈,而且尤以铅垂方向振动强烈,且振动的频率与发动机的工作循环频率一致。
因此,在进行缸体结构设计和发动机悬置设计时,应更多的考虑如何减小沿气缸中心线方向的振动和缸体的横向振动。
图7 缸体某时刻变形分布云图及圆圈处点变形时间历程图8右图为某时刻缸体各点的应力分布云图,由图可知,缸体螺栓孔周围的应力较大;左图为缸体・56・ 2005年第1期 内 燃 机 工 程上靠近水泵侧螺栓孔处所取三点的应力时间历程曲线,由曲线形状可知,该区域的应力值波动量较小,说明该处应力主要由螺栓的预紧力引起,受发动机工作载荷的影响很小,在缸体设计中应注意螺栓的预紧力对螺栓孔周围缸体结构的强度影响。