柴油机缸体缸盖耦合分析.pdfVIP

柴油机缸体缸盖耦合分析 王德远 张长岭 刘刚 王福志 （长城汽车股份有限公司动力事业部技术中心 河北省保定） 摘 要：本文对正处在开发阶段的 2.0L 柴油机进行整机耦合分析，通过 Abaqus 建立传热学模型，进行数值模拟计算，对缸垫 压力、温度场、热应力和变形等各种指标评价，优化整机设计。 关键词：流固耦合；整机；垫片；温度场；热应力 1 前言 试验台架上该发动机经常有烧机油的现象，为解决此问题，特做整机耦合分析。 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 软件计算得出缸垫的 压力分布、缸体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，通过 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 软件计算得到温度场分布和热应力分布。对发动机整体 设计提供优化指南。 2 模型建立 有限元模型包括：缸体、缸盖、螺栓、垫片、气门座圈、气门导管，其中垫片用一阶六面体网格，其它为二 阶四面体网格，网格总数约 70 万。 图 1 有限元模型 3 热边界条件 发动机传热方式非常复杂，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 Fire 计算得到，为一稳态温度场。图 2 右侧可以看出对流换热系数分布不 均，右边第一缸缸体水套换热系数较小。 图 2 水套温度与 HTC 分布 缸内燃烧边界包括缸盖燃烧室部分和缸套内壁面，由 Fire 软件对发动机一个循环 720 °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。 图 3 缸内燃烧平均温度与 HTC 分布 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。 4 计算结果 4.1 装配载荷工况 装配工况主要考察气门座圈和气门导管的过盈，螺栓预紧力，垫片压力分布等。 垫片的接触应力分布直接反映了缸垫的密封性。这里我们主要看垫片的接触应力分布。如图 4 所示，垫片的 各种不同区域在不同的压力曲线下的应力分布。垫片各区域应力分布均匀，密封性良好。 图 4 缸垫压力分布 4.2 热载荷工况 发动机局部温度过高会造成非正常燃烧，如材料发生烧蚀，润滑油碳化等现象。由缸内燃烧边界条算得燃烧 室实际表面温度，通过分析发现温度过高处，优化结构，改善换热系数，降低该处温度，降低局部高温集中对发 动机的影响。如图 5 所示，燃烧室表面温度分布较均匀，对发动机影响不大。 图 5 缸盖温度场分布 图 6 缸体热应力横向变形分布 图 6 为由热产生的机械应力引起的变形，可以看出右侧第一缸变形较大，最大变形值为 0.2mm ，很明显大于 配缸间隙 0.07-0.096mm ，可以得出发动机在工作的时候有烧机油的现象，还有可能出现拉缸现象。由水套分析的 到的右边第一缸换热系数较低，引起局部膨胀，变形较大。建议优化第一缸水套结构和汽缸周围结构，提高换热 系数与缸体刚度，减小变形。 4.3 最大爆发压力工况 图 7 缸盖应力分布 图 8 缸体应力分布 图 7 缸盖横向变形分布 图 8 缸体横向变形分布 由于计算时间较长，本次仅计算了右侧第一缸的爆发压力。由于爆发压力工况是在热载荷工况基础上计算的， 热应力引起的变形会对爆发压力引起的变形有补偿作用，所以我们看到缸盖上的应力分布基本是均匀的，但第一