Abaqus有限元软件在活塞发动机气缸体强度计算中的应用

刘玉慧中航工业南京轻型航空动力有限公司

Abaqus有限元软件在活塞发动机气缸体强度计算中的应用

刘玉慧中航工业南京轻型航空动力有限公司

气缸体是发动机的基础零件和骨架，由于其结构和工作受力情况复杂，用常规的方法无法对其进行准确的受力分析。针对某型活塞发动机在试验时气缸体断裂的事故，采用有限元数值计算方法，应用Abaqus有限元软件，对其在工作载荷下的静强度进行了分析，并根据计算结果对气缸体进行了结构优化，优化后的方案得到了台架试验的验证。

气缸体；有限元；强度

1、前言

气缸体是发动机的基础零件和骨架，通过它把发动机的曲柄连杆机构（包括活塞、连杆、曲轴、飞轮等零件）和配气机构（包括缸盖、凸轮轴等）以及供油、润滑、冷却等机构连接成一个整体。气缸体工作在高载荷、磨损剧烈的条件下，承受较大的压力，受力复杂，作用在缸盖上的燃气压力通过缸盖螺栓传递到缸体上，作用在活塞上的气缸压力产生了活塞向缸控右侧的侧压力，此力以曲轴中心为支点，产生气缸体的侧翻力，曲轴的曲柄、连杆轴颈、连杆大头的离心力作用对各主轴承孔盖形成了弯矩，气缸体承受弯矩。气缸体结构复杂、壁厚差悬殊，易出现应力集中现象，因此，缸体的可靠性是人们在发动机设计开发阶段要首先考虑的问题。

某型活塞发动机在开发试验阶段，气缸体出现了断裂事故。通过限元法对气缸体进行了详细分析，为缸体的优化设计提供了理论依据，并通过了台架试验的考核。有限元方法不仅节约了开发成本，还缩短了发动机的开发周期。

2、有限元分析

建立准确的数学模型是确保有限元数值模拟准确性的首要条件，包括有限元网格模型，边界和载荷条件，所建的模型应能如实反映结构的几何形状、材料特性、边界条件及承载情况等。特别是对复杂的工程问题作精细分析时，计算模型的建立至关重要。

2.1 结构及材料参数

采用软件UG完成气缸体三维实体模型。气缸体材料为ZL101A,热处理状态T6，抗拉强度为275MPa；气缸套材料为硼铸铁。

2.2 有限元模型

为了保证有限元计算的准确性，仅对计算精度影响较小的部分圆角进行适当简化，采用10节点四面体实体单元划分网格，对断裂处的结构进行了局部细化，划分网格后的单元总数为353212个，节点总数为670984个。

2.3 边界条件及载荷

计算时考虑气缸套与气缸体之间的过盈装配，过盈量为0.17mm；考虑温度载荷，气缸套均温160℃，气缸体均温120℃；考虑力学载荷，取气缸体爆发压力最大及活塞对缸体侧推力最大(曲轴转动10°)时作为工作载荷，其中最大爆发压力加载在缸体与缸盖之间连接螺栓位置处；侧推力加载在活塞裙部对应的缸体位置处，计算时不考虑缸盖与气缸体密封垫片的作用。计算载荷见表1。

约束气缸体与缸盖接触面的法向位移，约束螺栓孔的径向和轴向位移。

表1 计算载荷

2.4 变形及应力计算结果

气缸体在计算载荷下最大位移量为0.43mm。气缸体在计算载荷下的应力云图见图1，最大应力为828MPa，最大应力处由于受到螺栓孔约束的影响而产生较大的应力，此时该处的应力-应变关系已经不是线性关系，但由于有限元程序在计算时将结构变形当成弹性变形，因此该处的应力值不能反映真实情况，计算应力值大于真实值。不考虑螺栓孔位置处的应力，最大应力值为217MPa，最大应力位置为气缸体试验断裂处。

图1 气缸体应力分布图

3、计算结果分析和结构优化

气缸体静强度安全系数计算公式为：

式中：σb为材料的抗拉强度极限，σmax为最大当量应力。参考航空零部件安全性的一般要求，强度储备系数n＞1.5。根据式（1）可以得到n=1.26＜1.5，表明气缸体静强度不满足要求。

从应力分布可以看出，气缸体在第一和第二散热片之间（对应螺栓孔位置）出现应力集中现象，且加强筋在靠近散热片位置应力偏大。根据计算分析结果，对气缸体结构进行改进，在第一和第二散热片之间局部增厚，并将加强筋加宽增厚。

对优化后的结构做同样载荷及边界条件下的静强度有限元分析，气缸体在第一和第二散热片之间区域的最大应力由217MPa下降至130MPa，满足静强度要求，且改进后的结构相对原结构在加强筋及散热片区域平均应力更低。

4、结论

有限元法是一种先进的数值计算方法，通过有限元法计算分析了某型活塞发动机气缸体的变形及应力情况，并对其进行了静强度校核。实践证明，此分析结果与实际情况比较吻合。

根据计算结果确定了气缸体结构强度薄弱区，对其结构进行了优化，计算结果表明，优化后的结构应力值下降了40%，满足静强度要求。优化后的气缸体装机后在后续试验及小批量生产中，均未出现断裂故障。

[1]林海英，龙向阳.某型增压航空活塞发动机仿真研究.航空动力学报，2009年06期

[2]马斌，邵微，陈秉智.柴油发动机活塞静强度分析.计算机辅助工程，2014年02期

刘玉慧（1982-），女，湖南省邵阳人，硕士，毕业院校；中国航空院，职称：工程师，现就职于：中航工业南京轻型航空动力有限公司，研究方向：发动机结构设计及强度分析。