某发动机机体热机疲劳及缸孔变形分析*

陈 超，周奇才，江增明，吴丰凯，胡景彦，洪 进

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 201800;2.宁波市鄞州德来特技术有限公司，浙江宁波 315100)

某发动机机体热机疲劳及缸孔变形分析*

陈 超1，2，周奇才1，江增明2，吴丰凯2，胡景彦2，洪 进2

(1.同济大学机械与能源工程学院，上海 201800;2.宁波市鄞州德来特技术有限公司，浙江宁波 315100)

建立有限元前处理网格模型，定义模型边界、加载载荷等。建立Boost热力学模型，为CFD进行燃烧分析提供流量及压力边界。通过CFD计算水套的温度、燃烧式的气体温度及热交换系数，为缸体、缸套、缸盖等提供温度场映射边界条件。使用Abaqus计算零件的温度场和螺栓预紧力、爆发压力工况，进行无温度加载和热固耦合计算。

温度场映射;热固耦合;疲劳因子;傅里叶变换

0 引言

发动机作为汽车的心脏，若其机体出现强度疲劳未达到安全要求，会使机体造成断裂，进而造成发动机熄火。缸孔过量变形会使活塞与缸孔异常接触，导致拉缸后造成发动机功率、油耗下降等影响。

采用有限元模拟仿真的方法，它是目前发动机领域内先进的处理问题的数值计算方法，受到工程技术界的高度重视，可提前预防和避免质量问题，进而为模具盲目试制带来不可预知报废事故提供参考依据。

②经济损失重。洪涝直接经济损失达454.8亿元，为1998年以来最大。直接经济损失超过1亿元、5亿元、10亿元的县分别有86个、21个、7个。

1 热固耦合理论

1.1 热固耦合介绍

热固耦合表示固体与热流体介质之间发生交互作用的情况。主要应用在固体结构受到流场、温度场以及机械载荷或约束共同作用的场合。文中机体受到温度场和流体载荷作用，一方面会产生运动或变形，进而影响机体的应力分布。另一方面运动或变形反过来也会改变流场和温度场的分布，从而改变流体和温度场的大小。

1.2 热固耦合分析理论［1］

热固耦合首先采用有限元解决热传导计算问题，热传导分为瞬态温度场与稳态温度场计算，瞬态温度场与稳态温度场的主要区别是稳态温度场的场函数温度只与空间域Ω的函数有关，和时间域t的函数没关联。笔者谈论的温度场计算是稳态温度场计算问题，它的场求解问题通过线性微分方程求解，具有线性和自伴随的特性，求解方程应用了伽辽金法中的等效积分形式来建立与方程相等效的变分原理，再根据一定形式的插值函数进行有限单元网格离散，从泛函数取驻值来直接求解方程。

2.3.3 传热边界条件

2 模型建立和边界条件设置

2.1 分析的有限元模型

载荷边界条件有螺栓预紧力、配合过盈量、气体爆发压力，见表2。

图1 分析的有限元模型

2.2 材料说明

图2 是气缸垫压力闭合材料属性［2］，表1对分析模型的材料属性进行了说明。

用SPSS 20.0统计学软件处理数据，（±s）表示计量资料，经t检验；多组间比较采用单因素方差分析，相关性分析采用Pearson相关分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

图2 气缸垫压力闭合材料属性

表1 材料属性

2.3 边界条件

接触:气门与气门座圈、气门座圈与气缸盖、气门导管与气缸盖、气缸垫与机体、气缸垫与气缸盖采用接触。

绑定约束:螺栓和螺栓垫圈、螺栓和机体、螺栓垫圈和气缸盖采用绑定约束。

(一)先省略上部“网”中的重复构件，东汉熹平二年《杨震墓碑》作①；再省略声旁“亡”，整个字形简作“冈”，石刻材料常见用例。北魏延昌四年《山晖墓志》作，熙平二年《崔敬邕墓志》作，唐《李彦墓志》作。由于书出众手，构件“”又异写作“”，北魏建义元年《杨暐墓志》作，正光二年《王僧男墓志》作；唐《王景之墓志》作。隶书构件“冂”两竖画缩短，并省右下的钩画，西晋元康八年《魏雏柩铭记》“罔”作；隶书构件“又”与“丈”写法相混，西晋永康元年《张朗墓志》“罔”作。

2.3.1 约束边界条件［3］

“中国特色社会主义进入新时代，我们党一定要有新气象新作为。”[1]21推进高校党建标准化，将标准化理念引入高校党建工作中，借助标准化“不断循环与螺旋式上升”的内生运动机制[2]10，全力推动高校党建的有序发展，既是对党建工作机制作出的重大改革创新，也是党在新时代的新担当，对全面提升高校党建水平、提升高校理想信念教育实效有重要意义。

自由度约束:机体平面处限制自由度Z的移动、机体壁两侧各取两点限制X的移动、各轴瓦安装孔中间两侧取两点限制Y的移动。

将期望理论运用于沙盘实训课以激发不生的学习热情，一是从效价考虑，即让学生理解沙盘实训课程给学生带来的价值。比如：收获知识、锻炼思维、获得好成绩、参加外出比赛的机会等；二是从期望值来考虑，即以上目标能够实现的可能性大小。

图3 约束边界条件

传热边界条件需要建立Boost热力学模型，为CFD进行燃烧分析提供流量及压力边界。再通过CFD计算水套的温度、燃烧式的气体温度及热交换系数，最终为机体、缸孔、气缸盖等计算温度场提供温度场映射边界条件。用于温度场计算的气体传热映射和水套传热映射的边界条件如图4～7。

建立的前处理网格模型，进气门、排气门、气门座圈、排气门座圈、气门导管、气缸垫的网格尺寸及机体和气缸盖的关键区域的网格尺寸(1～4)mm，其余位置采用网格尺寸(3～15)mm，节点数1 722 066，网格数量921 600。三维网格模型采主要二阶四面体网格，其中垫片单元网格在计算热机耦合时采用Abaqus软件专用的GK12MN单元网格，此网格能够反应垫片的力学特征，可以近似求解气缸垫的接触压力，如图1为分析的有限元模型。

表2 载荷边界条件

热固耦合是在热传导的基础上引进了机械约束或载荷，以受热后产生应力分布形式体现，因温度而引起的应力称为热应力，研究的热应力问题与时间无关。热应力基本原理如下:当弹性体受到温度变化时，会引起体积的收缩或膨胀，表现为热变形产生的线应变，其中α是弹性体的线膨胀系数，T是弹性物体α(T－T0)内任一点目前的温度，T0为初始温度。若弹性体的温度变化是均匀的，且不受到任何的约束，弹性体内各部分将会发生相同的热膨胀或收缩，所以不会引起应力。否则受到外界约束时则会产生应力。

2.3.2 载荷边界条件

国外学者认为人才集聚是人才流动的一种特殊形式，把人才集聚作为人才流动的一个方面来研究。英国学者Palivos提出，知识的溢出效应、地方公共货物的供应、规模经济、政府支持政策和收入水平是人才集聚的主要影响因素。Taylor和Lje Heron认为，人才集聚能够培育产业、企业家能力和有利的商业环境，进而进一步促进人才集聚。Scott和Storper的研究表明，高新技术会带来人才集聚效应，对相关行业带来巨大的辐射力，劳动分工特别是知识分工和市场主体交易活动的结构会产生纵向人才集聚[1]。

图4 气体传热边界条件一(缸孔)

图5 气体传热边界条件二(燃烧室、气门、座圈、气道温度和换热系数分布)

图6 水套传热边界条件一(气缸盖水套温度和换热系数分布)

图7 水套传热边界条件一(机体水套温度和换热系数分布)

3 计算分析结果

3.1 温度场分析结果［4］

图8为机体温度分布结果，机体的最高温度均出现在两缸之间上止点活塞一环岸区域，因为这里承受了缸内高温燃气热负荷，虽然顶部水槽可以散热，但大量冷却液离此区域比较远，热量不能迅速的散发出去。其中第二缸和第三缸温度最高达到235℃，相比第一缸和第二缸之间温度高8℃。对于HT250材料，要求缸孔处最高温度不高于240℃。高于240℃会发生机油裂解、碳化现象，本模型温度没超过极限温度，满足要求。

图9为气缸盖温度分布结果，气缸盖的最高温度出现在排气道口处，因排气歧管集成在气缸盖上，热量会在排气道口出大量聚集而不容易散热，其出口处的温度达到253℃，对于铝合金材料而言，要求气缸盖的最高温度不高于260℃，本模型温度没超过极限温度，满足要求。

图8 机体温度场分布

图9 气缸盖温度场分布

3.2 机体强度疲劳分析结果［5］

图10 为机体强度分析结果，水套圆角处应力值偏高。

图10 机体应力分布

图11 机体疲劳因子分布结果，缸间水槽处疲劳安全因子最低，最小值为1.054，满足最小疲劳安全因子1.05疲劳标准。

3.3 机体缸孔变形分析结果［6－7］

在计算机体缸孔变形主要考虑了不同高度和不同角度下的结果，采用了傅里叶级数展开进行计算分析。如图12～16，在缸孔(#1)上顶面5.65 mm处的二阶变形量已经超过设计限制值，具体变形情况还需要后续试验观察进行判断。

图11 机体疲劳因子分布

图12 不同阶次下缸孔变形量(#1缸)

图13 缸孔(#1)各角度下直径变形量(一)

图14 缸孔(#1)各角度下直径变形量(二)

图15 缸孔(#1)各角度下直径变形量(三)

图16 缸孔(#1)各角度下直径变形量(四)

4 结论与建议

通过上述分析，机体、气缸盖等温度场、疲劳安全因子满足要求。缸孔变形量超出限制值，需要后续试验观察进行判断。

［1］ 王勖成.有限单元法［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［2］ 路 明，朱凌云，范习民.基于Abaqus的发动机缸体缸盖耦合仿真分析［J］.计算机辅助工程，2013(52):110－112.

［3］ 朱小平.基于热机耦合的缸套变形分析［J］.柴油机设计与制造，2013(3):12－13.

［4］ S Li，Chin－Hsiu，Thermal and Mechanical Behavior of an L－4 engine［J］.SAE Technical Papers，1988.

［5］ Stefano Fontanesi.Multiphase CFD－CHT Optimization of the Cooling Jacket and FEM Analysis of the Engine Head of a V6 Diesel Engine［J］.Applied Thermal Engineering，2012(2):70－73.

［6］ 王 虎.柴油机缸套失圆影响因素的仿真研究［J］.内燃机学报，2011(4):373－375.

［7］ 石 勇.493柴油机机体强度及缸孔安装变形有限元分析［J］.柴油机，2010(2):29－31.

The Engine Block and Cylinder Head Thermal Mechanical Fatigue and Cylinder Bore Deformation Analysis

The establishment of finite element pre－processing mesh model，definition of boundary and load etc。Building Boost thermodynamic model for CFD combustion analysis providing flow and pressure boundary。Providing the boundary conditions of temperaturemappingfor cylinder，cylinder liner，cylinder head etc through the CFD jacket temperature，combustion gastemperature and heat exchange coefficient calculation。Using Abaqus software to calculate the temperature field of the parts and the preload，burst pressure conditions，calculating without temperature and thermo－solid coupling.

temperature mapping;thermo－solid coupling;fatiguefactor;the Fourier transform?

TK413.2

A

1007－4414(2015)04－0012－04

2015－07－05

陈 超(1984－)，男，湖北洪湖人，在职研究生，CAE结构工程师，研究方向:车用发动机零部件的结构强度、疲劳和振动分析。