陳 超，周奇才，江增明，吳豐凱，胡景彥，洪 進(jìn)

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201800;2.寧波市鄞州德來特技術(shù)有限公司，浙江寧波 315100)

某發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體熱機(jī)疲勞及缸孔變形分析*

陳 超1，2，周奇才1，江增明2，吳豐凱2，胡景彥2，洪 進(jìn)2

(1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201800;2.寧波市鄞州德來特技術(shù)有限公司，浙江寧波 315100)

建立有限元前處理網(wǎng)格模型，定義模型邊界、加載載荷等。建立Boost熱力學(xué)模型，為CFD進(jìn)行燃燒分析提供流量及壓力邊界。通過CFD計(jì)算水套的溫度、燃燒式的氣體溫度及熱交換系數(shù)，為缸體、缸套、缸蓋等提供溫度場(chǎng)映射邊界條件。使用Abaqus計(jì)算零件的溫度場(chǎng)和螺栓預(yù)緊力、爆發(fā)壓力工況，進(jìn)行無溫度加載和熱固耦合計(jì)算。

溫度場(chǎng)映射;熱固耦合;疲勞因子;傅里葉變換

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的心臟，若其機(jī)體出現(xiàn)強(qiáng)度疲勞未達(dá)到安全要求，會(huì)使機(jī)體造成斷裂，進(jìn)而造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。缸孔過量變形會(huì)使活塞與缸孔異常接觸，導(dǎo)致拉缸后造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率、油耗下降等影響。

采用有限元模擬仿真的方法，它是目前發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域內(nèi)先進(jìn)的處理問題的數(shù)值計(jì)算方法，受到工程技術(shù)界的高度重視，可提前預(yù)防和避免質(zhì)量問題，進(jìn)而為模具盲目試制帶來不可預(yù)知報(bào)廢事故提供參考依據(jù)。

②經(jīng)濟(jì)損失重。洪澇直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)454.8億元，為1998年以來最大。直接經(jīng)濟(jì)損失超過1億元、5億元、10億元的縣分別有86個(gè)、21個(gè)、7個(gè)。

1 熱固耦合理論

1.1 熱固耦合介紹

熱固耦合表示固體與熱流體介質(zhì)之間發(fā)生交互作用的情況。主要應(yīng)用在固體結(jié)構(gòu)受到流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及機(jī)械載荷或約束共同作用的場(chǎng)合。文中機(jī)體受到溫度場(chǎng)和流體載荷作用，一方面會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)或變形，進(jìn)而影響機(jī)體的應(yīng)力分布。另一方面運(yùn)動(dòng)或變形反過來也會(huì)改變流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布，從而改變流體和溫度場(chǎng)的大小。

1.2 熱固耦合分析理論［1］

熱固耦合首先采用有限元解決熱傳導(dǎo)計(jì)算問題，熱傳導(dǎo)分為瞬態(tài)溫度場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算，瞬態(tài)溫度場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的主要區(qū)別是穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的場(chǎng)函數(shù)溫度只與空間域Ω的函數(shù)有關(guān)，和時(shí)間域t的函數(shù)沒關(guān)聯(lián)。筆者談?wù)摰臏囟葓?chǎng)計(jì)算是穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算問題，它的場(chǎng)求解問題通過線性微分方程求解，具有線性和自伴隨的特性，求解方程應(yīng)用了伽遼金法中的等效積分形式來建立與方程相等效的變分原理，再根據(jù)一定形式的插值函數(shù)進(jìn)行有限單元網(wǎng)格離散，從泛函數(shù)取駐值來直接求解方程。

2.3.3 傳熱邊界條件

2 模型建立和邊界條件設(shè)置

2.1 分析的有限元模型

載荷邊界條件有螺栓預(yù)緊力、配合過盈量、氣體爆發(fā)壓力，見表2。

圖1 分析的有限元模型

2.2 材料說明

圖2 是氣缸墊壓力閉合材料屬性［2］，表1對(duì)分析模型的材料屬性進(jìn)行了說明。

用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件處理數(shù)據(jù)，（±s）表示計(jì)量資料，經(jīng)t檢驗(yàn)；多組間比較采用單因素方差分析，相關(guān)性分析采用Pearson相關(guān)分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2 氣缸墊壓力閉合材料屬性

表1 材料屬性

2.3 邊界條件

接觸:氣門與氣門座圈、氣門座圈與氣缸蓋、氣門導(dǎo)管與氣缸蓋、氣缸墊與機(jī)體、氣缸墊與氣缸蓋采用接觸。

綁定約束:螺栓和螺栓墊圈、螺栓和機(jī)體、螺栓墊圈和氣缸蓋采用綁定約束。

(一)先省略上部“網(wǎng)”中的重復(fù)構(gòu)件，東漢熹平二年《楊震墓碑》作①；再省略聲旁“亡”，整個(gè)字形簡(jiǎn)作“岡”，石刻材料常見用例。北魏延昌四年《山暉墓志》作，熙平二年《崔敬邕墓志》作，唐《李彥墓志》作。由于書出眾手，構(gòu)件“”又異寫作“”，北魏建義元年《楊暐墓志》作，正光二年《王僧男墓志》作；唐《王景之墓志》作。隸書構(gòu)件“冂”兩豎畫縮短，并省右下的鉤畫，西晉元康八年《魏雛柩銘記》“罔”作；隸書構(gòu)件“又”與“丈”寫法相混，西晉永康元年《張朗墓志》“罔”作。

2.3.1 約束邊界條件［3］

“中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入新時(shí)代，我們黨一定要有新氣象新作為?！盵1]21推進(jìn)高校黨建標(biāo)準(zhǔn)化，將標(biāo)準(zhǔn)化理念引入高校黨建工作中，借助標(biāo)準(zhǔn)化“不斷循環(huán)與螺旋式上升”的內(nèi)生運(yùn)動(dòng)機(jī)制[2]10，全力推動(dòng)高校黨建的有序發(fā)展，既是對(duì)黨建工作機(jī)制作出的重大改革創(chuàng)新，也是黨在新時(shí)代的新?lián)?dāng)，對(duì)全面提升高校黨建水平、提升高校理想信念教育實(shí)效有重要意義。

自由度約束:機(jī)體平面處限制自由度Z的移動(dòng)、機(jī)體壁兩側(cè)各取兩點(diǎn)限制X的移動(dòng)、各軸瓦安裝孔中間兩側(cè)取兩點(diǎn)限制Y的移動(dòng)。

將期望理論運(yùn)用于沙盤實(shí)訓(xùn)課以激發(fā)不生的學(xué)習(xí)熱情，一是從效價(jià)考慮，即讓學(xué)生理解沙盤實(shí)訓(xùn)課程給學(xué)生帶來的價(jià)值。比如：收獲知識(shí)、鍛煉思維、獲得好成績(jī)、參加外出比賽的機(jī)會(huì)等；二是從期望值來考慮，即以上目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)的可能性大小。

圖3 約束邊界條件

傳熱邊界條件需要建立Boost熱力學(xué)模型，為CFD進(jìn)行燃燒分析提供流量及壓力邊界。再通過CFD計(jì)算水套的溫度、燃燒式的氣體溫度及熱交換系數(shù)，最終為機(jī)體、缸孔、氣缸蓋等計(jì)算溫度場(chǎng)提供溫度場(chǎng)映射邊界條件。用于溫度場(chǎng)計(jì)算的氣體傳熱映射和水套傳熱映射的邊界條件如圖4～7。

建立的前處理網(wǎng)格模型，進(jìn)氣門、排氣門、氣門座圈、排氣門座圈、氣門導(dǎo)管、氣缸墊的網(wǎng)格尺寸及機(jī)體和氣缸蓋的關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格尺寸(1～4)mm，其余位置采用網(wǎng)格尺寸(3～15)mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 722 066，網(wǎng)格數(shù)量921 600。三維網(wǎng)格模型采主要二階四面體網(wǎng)格，其中墊片單元網(wǎng)格在計(jì)算熱機(jī)耦合時(shí)采用Abaqus軟件專用的GK12MN單元網(wǎng)格，此網(wǎng)格能夠反應(yīng)墊片的力學(xué)特征，可以近似求解氣缸墊的接觸壓力，如圖1為分析的有限元模型。

表2 載荷邊界條件

熱固耦合是在熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上引進(jìn)了機(jī)械約束或載荷，以受熱后產(chǎn)生應(yīng)力分布形式體現(xiàn)，因溫度而引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力，研究的熱應(yīng)力問題與時(shí)間無關(guān)。熱應(yīng)力基本原理如下:當(dāng)彈性體受到溫度變化時(shí)，會(huì)引起體積的收縮或膨脹，表現(xiàn)為熱變形產(chǎn)生的線應(yīng)變，其中α是彈性體的線膨脹系數(shù)，T是彈性物體α(T－T0)內(nèi)任一點(diǎn)目前的溫度，T0為初始溫度。若彈性體的溫度變化是均勻的，且不受到任何的約束，彈性體內(nèi)各部分將會(huì)發(fā)生相同的熱膨脹或收縮，所以不會(huì)引起應(yīng)力。否則受到外界約束時(shí)則會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。

2.3.2 載荷邊界條件

國(guó)外學(xué)者認(rèn)為人才集聚是人才流動(dòng)的一種特殊形式，把人才集聚作為人才流動(dòng)的一個(gè)方面來研究。英國(guó)學(xué)者Palivos提出，知識(shí)的溢出效應(yīng)、地方公共貨物的供應(yīng)、規(guī)模經(jīng)濟(jì)、政府支持政策和收入水平是人才集聚的主要影響因素。Taylor和Lje Heron認(rèn)為，人才集聚能夠培育產(chǎn)業(yè)、企業(yè)家能力和有利的商業(yè)環(huán)境，進(jìn)而進(jìn)一步促進(jìn)人才集聚。Scott和Storper的研究表明，高新技術(shù)會(huì)帶來人才集聚效應(yīng)，對(duì)相關(guān)行業(yè)帶來巨大的輻射力，勞動(dòng)分工特別是知識(shí)分工和市場(chǎng)主體交易活動(dòng)的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生縱向人才集聚[1]。

圖4 氣體傳熱邊界條件一(缸孔)

圖5 氣體傳熱邊界條件二(燃燒室、氣門、座圈、氣道溫度和換熱系數(shù)分布)

圖6 水套傳熱邊界條件一(氣缸蓋水套溫度和換熱系數(shù)分布)

圖7 水套傳熱邊界條件一(機(jī)體水套溫度和換熱系數(shù)分布)

3 計(jì)算分析結(jié)果

3.1 溫度場(chǎng)分析結(jié)果［4］

圖8為機(jī)體溫度分布結(jié)果，機(jī)體的最高溫度均出現(xiàn)在兩缸之間上止點(diǎn)活塞一環(huán)岸區(qū)域，因?yàn)檫@里承受了缸內(nèi)高溫燃?xì)鉄嶝?fù)荷，雖然頂部水槽可以散熱，但大量冷卻液離此區(qū)域比較遠(yuǎn)，熱量不能迅速的散發(fā)出去。其中第二缸和第三缸溫度最高達(dá)到235℃，相比第一缸和第二缸之間溫度高8℃。對(duì)于HT250材料，要求缸孔處最高溫度不高于240℃。高于240℃會(huì)發(fā)生機(jī)油裂解、碳化現(xiàn)象，本模型溫度沒超過極限溫度，滿足要求。

圖9為氣缸蓋溫度分布結(jié)果，氣缸蓋的最高溫度出現(xiàn)在排氣道口處，因排氣歧管集成在氣缸蓋上，熱量會(huì)在排氣道口出大量聚集而不容易散熱，其出口處的溫度達(dá)到253℃，對(duì)于鋁合金材料而言，要求氣缸蓋的最高溫度不高于260℃，本模型溫度沒超過極限溫度，滿足要求。

圖8 機(jī)體溫度場(chǎng)分布

圖9 氣缸蓋溫度場(chǎng)分布

3.2 機(jī)體強(qiáng)度疲勞分析結(jié)果［5］

圖10 為機(jī)體強(qiáng)度分析結(jié)果，水套圓角處應(yīng)力值偏高。

圖10 機(jī)體應(yīng)力分布

圖11 機(jī)體疲勞因子分布結(jié)果，缸間水槽處疲勞安全因子最低，最小值為1.054，滿足最小疲勞安全因子1.05疲勞標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 機(jī)體缸孔變形分析結(jié)果［6－7］

在計(jì)算機(jī)體缸孔變形主要考慮了不同高度和不同角度下的結(jié)果，采用了傅里葉級(jí)數(shù)展開進(jìn)行計(jì)算分析。如圖12～16，在缸孔(#1)上頂面5.65 mm處的二階變形量已經(jīng)超過設(shè)計(jì)限制值，具體變形情況還需要后續(xù)試驗(yàn)觀察進(jìn)行判斷。

圖11 機(jī)體疲勞因子分布

圖12 不同階次下缸孔變形量(#1缸)

圖13 缸孔(#1)各角度下直徑變形量(一)

圖14 缸孔(#1)各角度下直徑變形量(二)

圖15 缸孔(#1)各角度下直徑變形量(三)

圖16 缸孔(#1)各角度下直徑變形量(四)

4 結(jié)論與建議

通過上述分析，機(jī)體、氣缸蓋等溫度場(chǎng)、疲勞安全因子滿足要求。缸孔變形量超出限制值，需要后續(xù)試驗(yàn)觀察進(jìn)行判斷。

［1］ 王勖成.有限單元法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［2］ 路 明，朱凌云，范習(xí)民.基于Abaqus的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋耦合仿真分析［J］.計(jì)算機(jī)輔助工程，2013(52):110－112.

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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

陳 超(1984－)，男，湖北洪湖人，在職研究生，CAE結(jié)構(gòu)工程師，研究方向:車用發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞和振動(dòng)分析。