基于非线性的发动机气缸垫密封性能研究

李卫民，唐兆丰，姜 凯

（辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁 锦州121001）

1 引言

近年来，随着计算机性能的提升，利用计算机为辅助工具对复杂产品进行有限元分析的虚拟仿真技术，被广泛应用在各个领域中。尤其是在汽车工程领域，各大生产厂商都将有限元技术作为研发的基础。但是在发动机密封性能的研究中，绝大多数的工程技术人员只考虑了线性因素对其进行有限元分析。通过实验表明这种方法得到的结果是不具有参考价值的，因为发动机气缸垫是典型的具有高度非线性的零件，但是很多工程技术人员却没有注意到这一分析上的疏忽带来的影响。此次研究以某汽油发动机以及配套的金属气缸垫片为例，在螺栓预紧力作用下考虑非线性因素对其影响，并将分析所得结果与实验数据进行对比，验证分析结果的精确性。同时，对于金属垫片提出了一种全新的分析方法，并且验证了方法的可行性与精确性。

2 虚拟仿真分析

2.1 非线性条件表现

以某汽油发动机及其配套金属气缸垫片为例进行考虑非线性的有限元分析，其中金属气缸垫片为三层气缸垫片通过铆钉连接。对其进行加载卸载实验可以发现，在卸载过程中曲线没有沿着加载过程中的曲线进行卸载，其在厚度方向上表现出高度的非线性性，加载卸载曲线如图1所示。因此，使用线性的分析方法对其进行与有限元的虚拟仿真，得到的结果必然是无法准确反应出实际的工作情况。由于垫片其所具有的特殊性，ANSYS软件专门为其设计了一种gasket材料来定义这一特殊的物理属性，其主要受力变形方向为厚度方向，网格只在接触面上划分一层网格，通过输入经过换算的压缩回弹曲线来定义具体的材料属性［2］。

图1 加载卸载曲线Fig.1 The Diagram of Load and Unload

除了材料体现的非线性，分析中还存在接触对的非线性。发动机装配体组合在实际的工况下密封垫片与气缸体和气缸盖的接触属于摩擦接触，摩擦接触是典型的非线性接触，而有些工程技术人员为了使分析结果容易收敛而选择绑定接触。绑定接触是线性的，其会导致气缸垫片在挤压过程中没有横向的伸展，得到的结果必然是不准确的。为了得到精度较高的结果，本例中选择摩擦接触进行分析。

本例选用的发动机气缸垫片是由0.2mm厚的不锈钢板冲压出0.2mm高的密封筋。在螺栓预紧力下，其密封筋基本处于完全压平的状态，零件变形大小几乎与零件厚度相等，这就涉及到几何的非线性（大变形），在分析中为了提高结果的精度，需要将求解设置中的大变形开关打开。由于打开大变形开关会使结果不易收敛，所以很多工程技术人员在对发动机密封性能进行有限元分析时没有选择将大变形开关打开，这就导致分析的结果精度不够，所以为了更能贴近实际的工况，在分析的过程中需要考虑几何非线性（大变形）对结果造成的影响。

2.2 非线性求解及结果分析

由于选用的发动机组模型十分复杂，同时又考虑了其非线性，因此收敛十分困难。为了提高其收敛速度，需要对发动机模型进行简化处理，将一些细小的对结果影响较小的特征可进行简化。在简化模型的过程中要注意发动机气缸体表面存在很多筋和肋板，这些特征主要起到增强气缸体强度，在简化模型的过程中需要对这些特征进行保留。同时由于有限元法主要通过有限单元节点间进行力的传递，为了减小误差、提高计算精度，需要对相接触的表面网格进行细化处理，同时保证相接触位置节点能够对应，这样有利于提高计算结果的精度和收敛性。

对于非线性问题的求解，一般采用迭代法来进行计算，ANSYS软件中使用Newton-Raphson法来进行迭代求解，其基本原理，如图2所示。

图2 Newton-Raphson法Fig.2 Newton-Raphson Method

Newton-Raphson法是通过多次迭代来进行求解，首先第一次迭代施加一个载荷，根据节点位移计算其内力，内力与载荷的差即为残余应力，当残余应力小于某个值时，则认为系统处于平衡状态是收敛的，反之则要利用当前条件重新计算新的刚度矩阵，直到残余应力小于那个额定值为止［5］。当分析结果不收敛时，ANSYS软件也可以通过查看最后几次迭代的Newton-Raphson的残余应力来观察具体是哪个位置的迭代出现残余应力过大而不收敛。对于局部残余应力过大的问题，一般是网格质量不好而引起的，所以可以通过加密局部位置的网格来提高其收敛性。在分析过程中系统是通过残余应力来判断是否收敛的，若残余应力过大则会导致软件判定分析无法收敛而导致计算失败，因此，可以通过增加载荷步来降低每步计算时的外载荷力，从而减小残余应力提高收敛性。

经过仿真计算得到金属气缸垫片中密封筋的法向压力结果云图，并取20个点进行观察，如图3所示。将面压实验的胶片结果可以导入专门查看胶片图样的FPD8010软件中查看实验获得的结果数据，在与有限元结果相对应的位置同样的选取20个点，如图4所示。将其与有限元分析的结果进行对比，来判断模型的准确性以及有限元虚拟仿真的正确性［6］。根据表1可知，所选的20个点的平均误差在2.912%，可以证明模型的准确性，以及考虑非线性因素进行有限元分析的方法可以获得与实际情况吻合度较高的结果。

表1 对比结果Tab.1 The Results of contrast

图3 法向垫片压力结果云图Fig.3 Result Cloud of Normal Gasket Pressure

图4 面压实验结果云图Fig.4 Result Cloud of Surface Pressure Test

3 简化垫片

经过观察气缸垫片法向方向的应力结果云图可以发现，在只受到螺栓预紧力的状态下，金属气缸垫主要依靠各个密封筋来提供密封力，垫片的其他位置所受的法向方向的应力十分小，因此在计算气缸垫的密封力时考虑单元节点数目以及计算成本，可以只对密封筋处建模而将气缸垫其它位置进行简化，观察其密封力与面压实验是否吻合。若简化后模型的密封力与面压实验相吻合，则证明简化气缸垫片的方法可以适用于发动机气缸垫片的密封性能的研究，如图5所示。

图5 法向应力结果云图Fig.5 Result Cloud of Normal Stress

将简化后的模型导入有限元软件中，经过分析计算得到密封筋位置的法向压力结果云图，在与未进行简化模型的相同位置取20个点，如图6所示，将其结果与面压实验进行对比结果，如表2所示。

图6 法向垫片压力结果云图Fig.6 Result Cloud of Normal Gasket Pressure

表2 对比结果Tab.2 The Results of contrast

通过观察可知，简化后的垫片所取20个点法向方向的压力值与面压实验的平均误差是4.02%，虽然结果的精度略有下降，但是满足计算结果的精度要求。

简化气缸垫片的分析方法可以有效减少接触对以及网格节点的数目，在满足计算结果精度的同时可以提高计算速度和收敛性。因此，可以广泛应用在相同类型产品的分析中。

4 密封结果检验

根据主机厂对于本例所选用发动机气缸垫片密封性能的要求，要满足发动机正常工况下的密封条件，需要气缸垫片在只受螺栓预紧力的状态下的缸口位置密封压力应达到60MPa。为了更好观察设计的气缸垫片是否满足要求，在分析结果的应力云图中将左侧比例尺进行调整，以60MPa为分界线对其颜色进行统一，这样可以方便观察其缸口位置是否能形成一个完整的密封圈。若大于60MPa的区域无法形成一个完整的封闭圆环，则需要对气缸垫片进行优化调整。根据观察可知，案例中的气缸垫片缸口筋处密封压力只有少部分区域小于60MPa，而大于60MPa的蓝色区域可以形成一个完整密封圆环，所以满足主机厂对这款发动机的密封要求。调整比例尺后的密封性能检验云图，如图7所示。

图7 密封性能检验Fig.7 Sealing Performance Test

5 结论

以某汽油发动机为例对其金属气缸垫的密封性能的有限元分析进行了深入的研究，在分析过程中考虑其材料以及接触对以及大变形等非线性因素对分析结果的影响。通过试验与实际结果相对比发现考虑非线性因素可以得到精度较高的结果。同时提出了一种对发动机气缸垫片进行简化的分析方法，这种方法在满足精度要求的同时可以有效降低计算成本，提高产品研发效率。并在最后对所选气缸垫片的密封性能做了检验，得出所选气缸垫片满足主机厂的密封要求。由于本次研究的方法体系可被同类其他产品所借鉴，因此对其他产品密封性能的研究也具有重要的意义。