某柴油机缸盖改进设计-玉柴.pdfVIP

某柴油机缸盖改进设计 蓝宇翔 黄第云 卢祥林 姚建军 （广西玉柴机器股份有限公司工程研究院CAE 室 广西 玉林 537005 ） 摘要：某四气门柴油发动机在可靠性试验中，缸盖两进气门座桥鼻梁之间出现裂缝故障；通过 AVL/fire 软件计算出缸盖温度场，用 Abaqus 软件进行发动机气缸盖气缸体的耦合有限元分析，找出故 障，并在此基础上提出改进方案；根据试验结果，证明改进方案是可行的。 关键词：柴油机；缸盖；裂缝；Abaqus ；有限元 1 前言 根据项目开发，某直列四气门六缸柴油发动机进行了升级改进，在可靠性试验过程中 缸盖2至5缸两进气门座桥鼻梁之间都出现裂缝故障 （如图1），为了查明故障原因，本文应 用热固耦合有限元方法，首先通过AVL/Fire 软件进行燃烧和水套的CFD 计算，从而得到热 边界条件，再使用Abaqus 软件计算得到缸盖的温度场分布和热变形、热应力分布情况，从 而找出缸盖的薄弱之处，并提出改进措施。 图1 缸盖裂缝故障 2 有限元模型和边界条件 整机耦合分析包括三个工况：装配载荷工况、热载荷工况和爆发压力工况，通过 Abaqus 软件计算得出缸盖的应力和变形分布。热载荷工况采用流固耦合的方法进行模拟 分析， 2.1 有限元模型 计算分析分为温度和结构两个部分，采用三维有限元方法进行分析，CAD 模型通过NX5 软件建立，本文分析对象为直列六缸发动机，整体式缸盖，考虑到第2 至5 缸结构相似， 为了减少计算时间，模型去掉3 至5 缸，保留1、2、6 缸模型，通过NX5 软件来完成CAD 模型的修改。 有限元模型包括：缸体、缸盖、缸盖螺栓、喷油器螺栓、缸盖垫片、进气门座圈、排 气门座圈、气门导管、进气门、排气门、喷油器、喷油器套、喷油器压块、气缸套，其中 缸盖垫片用一阶六面体网格，其它为二阶四面体网格，单元总数756082，节点数1313852， 有限元模型见图2。 有限元网格用Hypermesh 软件划分，在Abaqus/CAE 里施加边界条件，用Abaqus 求 解及后处理。 图2 有限元模型 2.2 材料特性：略 2.3 边界条件 2.3.1 温度场边界条件 温度场边界条件比较复杂，主要包括缸内燃烧边界，水套边界，进排气道温度边界， 油路温度边界，气门座圈温度边界等。 缸体缸盖水套换热系数与温度场由AVL/Fire 计算得到，结果为稳态温度场 缸内燃烧边界包括缸盖燃烧室部分和缸套内壁面，由AVL/Fire 软件对发动机一个循 环。计算得到一瞬态温度场，最后将其温度平均后映射到结构网格上，作为缸内燃烧边界 条件。 进排气道温度边界，油路温度边界和气门座圈温度边界比较复杂，在这里给一均值， 尽可能真实的反应其温度和换热系数分布，其中油路边界设置油温 120℃,换热系数 2 150W/m K 。 2.3.2 结构分析边界条件 结构分析沿用温度场的分析模型，改变单元类型，定义接触对，主要接触定义如表 1。 1 表 1 有限元模型接触对 部件 1 部件2 接触类型 备注 缸套 缸盖 Small slid e 径向，加间隙 缸套 缸盖 Small slide 轴向 缸垫 缸盖 Tied 缸垫 机体 Tied 缸垫 气缸套 Tied 螺栓 与螺栓接触零件 TIE 缸盖