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太原理工大学硕士研究生学位论文 多缸内燃机机体结构动力学及缸套穴蚀问题的研究 摘要 缸套一活塞系统是内燃机的核心构成，缸套穴蚀是内燃机 缸套的主要失效形式之一。解决缸套穴蚀问题对提高缸套的使 用寿命，保证内燃机经济、可靠地工作具有重要的意义。缸套 穴蚀主要是由机体的高频振动和冷却水的高压冲击而引起。本 文首先介绍了缸套穴蚀产生的部位、特征及其影响因素，从力 学角度分析了缸套穴蚀产生的机理，并且提出了许多预防措施。 然后应用a n s y s 软件建立了4 1 0 5 型柴油机机体、冷却水和缸套 的实体模型，并进行了模型简化，划分网格后生成了机体有限 元模型。整个模型的建立采用的是参数化建模，为优化分析做 好了准备。 活塞和缸套之间的油膜压力及摩擦力对活塞裙部的往复运 动影响很大，以往的分析都忽略了这两个力。本文根据前人多 缸内燃机缸套一活塞系统摩擦学与动力耦合问题的基本数学模 型，引用了根据此模型编写的计算油膜压力和摩擦力的程序， 并做了大量的改进，计算出的力作为载荷施加到有限元模型上。 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho ns t r u c t u r a ld y n a m i c s a n dc a v i t a t i o no fc y l i n d e ri n m u l t i c y l l n d e re n g i n eb l o c k a b s t r a c t c y l i n d e r p i s t o ns y s t e mi st h eh e a no fi n t 锄a 】- c o 埘b u s t i o n e n g 缸e c y l i n d e ri i n e rc a 斩t a t i o ni so n eo f n l a i nd i s 曲1 e df o m i s oi t i ss i 驴i f i c a n tt or e s 0 1 v em ec a v i t 撕o np f o b l e mw h i c he n h 锄c e st h e u s el j f ea n dg u a r a n t e e se c o n o 谢c a la n dr e l i a b l e 劬c t i o n c 删t a t i o n e r o s i o ni sc a u s e db yh i g l l q u e n c yv i b r a t i o no fe n g i n eb o d ya n d 1 i g hp r e s s u r ei m p u l s eo fc 0 0 1 a n t i i lt l l i s 击s s e n a t i o n ，w e 丘r s n y i 1 1 仃o d u c et h ep o s i d o na n dc h a r a c t e d s t i c so fc a v i t a t i o n 1 h e nw e e l a b o r a t et h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fm ec a “t a t i o na i l da i l a 】y s et h e t h e o 】了o fc a v i t a 矗o n o n 也i sb a s i s ，m a n yp f e v e n t i v em e a s u r e sa r e p r e s e n t e d f u r t h e r i n o r e ，a c c o r d j n gt od i _ a 、城n t l l es 0 1 i dm o d a lo f b o d y ；c y l j n d e ra n dc o o i a n to f 4 l0 5d i e s e le n g i n ei sc o n d u c t e du s i n g a n s y ss o f h a r e a n dt h em o d e li ss i m p l i f i e dt h ef i n i t ee l e m e n t t i i 太原理工大学硕十研究生学位论文m odali sg a i n e d by p a n i t i o i _ l i n g griddingthelodeli s e s t a b “s h e db y applyling a p d l ，w h i c h p r e p a r e s f o r 叩t i 嘶z i n ga n a l y s i s oilf i i m p r e s s u r e a n d l i n d e ri n n u e n c em o v e m e n to fp i s t o ns k i n 铲e a t l y f o m l e r l yt h e s e t w of o r c e sa r ei g n o r e d 0 nm eb a s i so ft h em a m e m a t i cm o d e la b o u t t h et r i b o 】 x 太原理t 大学硕士研究生学位论文 k e yw o i m s ： m u l t i c y l i n d e re n g i n e ，c a v i t a t i o n ， t h en n i t e e l e m e n tm e t h o d ， d y n a m i cc o u p i i n g 、 盔囊纠毒曩壹碧螽婴葛漕啸鼋浅嚣 阿童塞羹? 薹萋夔霎羹繁豁孙殴奘器奠擎爱箩曳i 妻囊濯罐哺灌揍略掣惯 蛰霉昱= 努萧粼酬盛型掣慕戮雕；醑盟簖鹭魏静靛髂祧艘一酗。掣媸氛； 譬公罂霎型镰禹f ；i 鲁淹流每 之一搿嘣面逢臻捌拒骥带剡j 哥囊罐溶喇限满 ：熊港型蓊! 黻始黪巽垃科掣b 鹫璩鹫热烈殂骢i 菸j 强谤确舔妻鲐将 乳虿革：他”磊彗蔓鬻罂最墼雪喇尉办哑翌物小鞫驯静归：茧莨_ 驰王缶 州删嚣雨j 霎型穗谚臻博碜博压嘲强瞪崔j 臣纛塑澍篓力学分析f ；f 耋瞄镉 遴鹾二再稳岛壤绺撞洱甾臻指摧翟i 装置督饕倍淆浆符堂甜；掣黯幽 篇喘世匿掣l 雾琴喜i | i j 襄弹美。 几j 别刚戡引并群鼎垂嘲噬渤啦磁谢爝疆 彳嘞滏囊。辍扭去姥瓤黧囊菩两气仕焦焉稚轰罐翼旗爵番妊绣；矛引崮 彭奢鼎美l 、i i ；j 叫重咖耍营型却彰。蟹步吵婴譬垄叫碰鳓帮办茜管藕鳓 赫；律臻涛渤耐毒嘲骂鼎；撼曙潘壤粥浮端搿鬻譬躏盎潭塔篷滋磁；兰 阶龛萄谨澎瓣磕莲蕊囊幅雕擗潍：眯髦丛释琢密匣荆聚秽弘笋戳艇毗考j 荆_ 胁e 乙刚闯剥芩氍餮；妻誉谬羹薹霪霆圣霉；! i i 箬科鬟冀墅鬟羹 l i l 一；芒噬 堪芾卑征喂商 蓁淆摄渔壤匿菇带俚藤j 饿囊鼾冀臻犟舟潞翟i i i m 覆罐二蓁辖瓣萁 工作性能的i 裂托硝函秸瓯；躯妒虱气剐滔；碑萄篷型漆衅矗戮逮秀强匿 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 动态特性。在内燃机的发动机研究方面更是如此，由于其受相当复杂的载 荷作用，会引起很多部件的损坏，缸套穴蚀问题就是重要的一例。多年来， 内燃机机体振动引起缸套穴蚀一直是个没有解决的难题。在内燃机未强化 ( 强化指标：平均有效压力与活塞平均速度的乘积) 之前，缸套穴蚀问题并 不突出，缸套的破坏主要是内孔表面的磨损及腐蚀而造成。近年来，由于 增压和高速，内燃机的强化指标大幅度提高，而且随着内燃机的小型和轻 型化、同时功率越来越高的发展趋势，缸套的穴蚀越来越严重，已成为使 用寿命和可靠性的关键问题之。缸套穴蚀的发生对内燃机寿命及生产的 危害甚大，有的内燃机因穴蚀其寿命减为数百小时或一个大修期，仅为正 常寿命的1 2 0 一1 3 ，可见穴蚀危害之大。为了检查穴蚀程度及更换失效的缸 套，经常需要吊缸或拔缸，尤其在采用较大缸径柴油机的船舶及机车，增 加了使用和维修人员的劳动强度。因此认真分析内燃机缸套穴蚀的原因， 找到解决穴蚀问题的方法，具有重要的实际意义【4 】。 l - 3 国内外研究现状 i 3 1 缸套穴蚀方面的研究 由于缸套穴蚀引起的故障，给内燃机的维修带来诸多不便。由于缸套 的材质较好，加工精度也高，故其价格就高，故缸套穴蚀会造成很大的经 济损失，对此国内外都特别关注。在国外，很多学者提出了缸套穴蚀方面 的理论并给出了分析方法和预防措施。文献1 5 】从柴油机振动入手，分析了 穴蚀产生的机理，给出了冷却水压力变化和缸套振动速度的计算公式，分 别对缸套、活塞作了有限元分析。文中还给出了简单的阐述，但没有考虑 机体和缸套之间的相互作用。文献f 6 】中提出：在一般情况下鉴定不出穴蚀 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 动态特性。在内燃机的发动机研究方面更是如此，由于其受相当复杂的载 荷作用，会引起很多部件的损坏，缸套穴蚀问题就是重要的一例。多年来， 内燃机机体振动引起缸套穴蚀一直是个没有解决的难题。在内燃机未强化 ( 强化指标：平均有效压力与活塞平均速度的乘积) 之前，缸套穴蚀问题并 不突出，缸套的破坏主要是内孔表面的磨损及腐蚀而造成。近年来，由于 增压和高速，内燃机的强化指标大幅度提高，而且随着内燃机的小型和轻 型化、同时功率越来越高的发展趋势，缸套的穴蚀越来越严重，已成为使 用寿命和可靠性的关键问题之。缸套穴蚀的发生对内燃机寿命及生产的 危害甚大，有的内燃机因穴蚀其寿命减为数百小时或一个大修期，仅为正 常寿命的1 2 0 一1 3 ，可见穴蚀危害之大。为了检查穴蚀程度及更换失效的缸 套，经常需要吊缸或拔缸，尤其在采用较大缸径柴油机的船舶及机车，增 加了使用和维修人员的劳动强度。因此认真分析内燃机缸套穴蚀的原因， 找到解决穴蚀问题的方法，具有重要的实际意义【4 】。 l - 3 国内外研究现状 i 3 1 缸套穴蚀方面的研商 蓁淆摄渔壤匿菇带俚藤j 饿囊鼾冀臻犟舟潞翟j 辛l m 覆罐二蓁辖瓣萁 工作性能的i 裂托硝函秸瓯；躯妒虱气剐滔；碑萄篷型漆衅矗戮逮秀强匿 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 动态特性。在内燃机的发动机研究方面更是如此，由于其受相当复杂的载 荷作用，会引起很多部件的损坏，缸套穴蚀问题就是重要的一例。多年来， 内燃机机体振动引起缸套穴蚀一直是个没有解决的难题。在内燃机未强化 ( 强化指标：平均有效压力与活塞平均速度的乘积) 之前，缸套穴蚀问题并 不突出，缸套的破坏主要是内孔表面的磨损及腐蚀而造成。近年来，由于 增压和高速，内燃机的强化指标大幅度提高，而且随着内燃机的小型和轻 型化、同时功率越来越高的发展趋势，缸套的穴蚀越来越严重，已成为使 用寿命和可靠性的关键问题之。缸套穴蚀的发生对内燃机寿命及生产的 危害甚大，有的内燃机因穴蚀其寿命减为数百小时或一个大修期，仅为正 常寿命的1 2 0 一1 3 ，可见穴蚀危害之大。为了检查穴蚀程度及更换失效的缸 套，经常需要吊缸或拔缸，尤其在采用较大缸径柴油机的船舶及机车，增 加了使用和维修人员的劳动强度。因此认真分析内燃机缸套穴蚀的原因， 找到解决穴蚀问题的方法，具有重要的实际意义【4 】。 l - 3 国内外研究现状 i 3 1 缸套穴蚀方面的研究 由于缸套穴蚀引起的故障，给内燃机的维修带来诸多不便。由于缸套 的材质较好，加工精度也高，故其价格就高，故缸套穴蚀会造成很大的经 济损失，对此国内外都特别关注。在国外，很多学者提出了缸套穴蚀方面 的理论并给出了分析方法和预防措施。文献1 5 】从柴油机振动入手，分析了 穴蚀产生的机理，给出了冷却水压力变化和缸套振动速度的计算公式，分 别对缸套、活塞作了有限元分析。文中还给出了简单的阐述，但没有考虑 机体和缸套之间的相互作用。文献f 6 】中提出：在一般情况下鉴定不出穴蚀 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 问题，只有使用后才能得到故障报告，自然也就产生了困难，缸套在设计 阶段很难预测、在验收时也很难发现。因此，个新的分析缸套穴蚀损坏 的方法就应运而生了，基于有限元方法的应用，为工程师设计、分析缸套 穴蚀的影响程度提供了一个很好的工具，也不需要去做昂贵的试验工作。 分析认为缸套振动是由活塞的倾斜而引起，可以考虑活塞冲击能量，预测 缸套的瞬态反映，计算缸套振动速度并且对比缸套穴蚀标准绘出缸套表面 可能发生穴蚀损坏的云图。文献【q 提出：缸套损坏主要是缸套穴蚀破坏， 即气泡破裂产生的冲击对缸套损坏的影响最大。文献州1 1 中分别使用冷却 添加剂和激光处理的方法减小缸套的穴蚀程度。文献【1 2 】论述了现有一般 的穴蚀知识和穴蚀对柴油机缸套的影响，还简洁地给出了穴蚀的定义和类 型。讲述了气泡的形成、变大最后破裂的过程，还论述了压力、温度和可 溶解气体对气泡的影响，目的是研究流体机械由穴蚀引起的各种类型的损 坏。文章还列出了柴油机缸套损坏的种类及在这个领域许多专家的修理意 见。在国内，缸套穴蚀方面做的较少，从所查资料来看，仅对穴蚀产生的 原因、穴蚀的预防与控制作了论述，并且还做了简单的改进，但没有把穴 蚀与振动结合起来分析。文献”】中从力学观点解释了湿式气缸套的穴蚀 过程，分析了影响缸套穴蚀的因素，提出了预防及减缓缸套穴蚀的对策。 文献【1 3 “j 等对内燃机的缸套裂纹故障进行分析和探讨，以期找出避免类似 缸套裂纹和穴蚀故障的有效措施。 1 3 2 机体动力学分析 在国外，由于计算机、内燃机设计技术以及有限元分析软件等各个方 面条件都比较成熟，在八十年代就对内燃机机体进行了全面细致的c a e 分析。德匡【大众公司m b i n h s s p a p e z 对某直列四缸水冷发动机机体作了 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 静刚度和模态分析，并在动态分析基础上预估了机体表面辐射的噪声。美 国w j l t e 由t t 等人利用n a s t r a n 软件建立了四缸发动机机体四种不同的 有限元网格模型，进行了自由模态分析。近年来发展更加迅速，文献| 2 2 】 中阐述了单缸内燃机缸套振动和穴蚀以及水压的关系，利用有限元法分析 了缸套和冷却水的相互作用，没有考虑机体对其的作用，只有把机体、缸 套和冷却水一起作耦合分析结果才会更为合理。文献【2 3 j 把内燃机主轴承 穴蚀引起的振动和噪声作了分析。在国内，最近十几年才慢慢发展起来， 最初由于国内计算机硬件条件和有限元分析软件的限制，对机体一般只能 做二维有限元分析：将受力最大的横隔板单独取出来，按照平面受力状态 进行计算，反映不出机体其它部分对横隔板的影响，更反映不出机体的刚 度水平和动态特性，因而误差较大。九十年代以来，在动力学方面做了很 多的工作，一些国内学者在c v 机上利用c a d 对某些发动机机体作了三 维有限元静强度分析，还作了一些动力学分析。某学校老师在、a x 2 7 8 5 计算机系统上，利用s a p 6 结构分析程序改进了b e 肌a i l 修正法，在试验 模态分析结果的基础上建立了z h l 0 5 w g 型柴油机机体较为准确的有限 元分析模型，对机体进行了自由模态和约束模态有限元计算，最后提出并 验算了局部改进措施，结果较为理想【2 4 彩l 。a n s y s ，h l c 中国区技术部上 海柴油机厂用有限元法分析了d 1 1 4 发动机机体，还提出了改进措施。很 多学者还研究了活塞的摩擦及二阶运动对机体振动影响的分析，缸套的振 动模态分析，缸套的温度场有限元分析 2 6 _ 3 5 1 。 1 4 本文的研究内容 内燃机缸套穴蚀破坏主要是由缸套的高频振动和冷却水的高压冲击 所引起，本文采用a p d l ( 参数化建模语言) 建立了多缸内燃机机体、缸套 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1引言 第二章内燃机缸套穴蚀问题的分析 穴蚀是在水力机械或与液体作某种相对运动的机件表面所出现的一 种损坏现象。穴蚀破坏的特征：在被磨损的金属表面有凹穴出现，这些凹 穴象遭到强烈冲击的痕迹。穴蚀破坏在内燃机缸套、船舶螺旋桨、水轮机 工作叶片、各类泵、轴承以及各种液压式装置和设备中最为常见。以前内 燃机的气缸壁和气缸体较厚，且承受的负荷较低，穴蚀破坏并不明显；联 嚣塾型烈些署磊毽摧矗淫嗡j 嗽菇洛弓萄轳；剥搦镪羹鼢驺暇脯西施薛彰 接j 陪嘲渤露警王唑重强划鲁i 誓拦固葭燮鏊砻嗨浠潜帚氆莲济强嵌 幽一；衔下碓时铲讳鏊搿刍压萋酯两赫骥毯篇浆符壤“垲二一静吾墓莉茕 斤瘩翱f 伊g 豁尉箱孤海鞠永廉而；槲耐尹季轼雪秆菱耐；葡镖藩臻墼箨 磐蒜h 如图艟量x 重型矧哦。掣雯必型磐；疆动时( 如图i ) ，与气缸 壁接触的一个断面积为，、长为三的水柱在 水压力p 作用下也以加速度口跟随壁面一起向内移动，这时壁面处的水压 力将降低到尸： 只f ：胛+ 坐口z ( 2 1 ) g 由式( 2 1 ) 得； p ：r 一坐口z ( 2 2 ) g 式中：y水的密度： 太原理工人学硕士研究生学位论文 的功为： = j ：。4 ”2 p 0 胁= 鲁喊( r ；一购 ( 2 6 ) 因为e = ，由式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 得： 水的压缩率为： 矿=嗣 口：上监 。 心v ( 2 7 ) ( 2 _ 8 ) 约为4 1 0 。c m 2 k g 当水以速度矿发生冲击时，压力的上升量p 为： 生y ：坚竺( 2 9 ) 2 9 2 二：型 2 9 2 由式( 2 _ 8 ) 、( 2 9 ) 得： 一历=同丽 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 当真空泡溃灭时r 一。，鲁_ o 。，则p 斗m 由于压力的急剧上升，靠近气缸壁面的真空泡溃灭时，对缸套外壁产 生很大冲击，以致引起穴蚀。 2 3 气缸套穴蚀的部位和特征【1 6 1 气缸套穴蚀破坏的特征是：在被磨损的金属表面有凹穴出现，这些 9 太原理工人学硕士研究生学位论文 凹穴很象遭到强烈冲击产生的。有时会产生单个的凹穴，比较常见的是聚 集的小孔群，而在某些条件f 则形成大量的麻点，从而使被磨损的表面变 得十分粗糙。轻小型高速内燃视遭到穴蚀破坏最严重的是气缸套，有时可 能出现缸套穿孔。气缸套穴蚀的程度随内燃机的结构型式、强化指标、设 计参数不同而有所区别，穴蚀的部位也有所不同，常发生在以下几种情况： ( 1 ) 穴蚀常发生在连秆摆动平面内，多发生在侧推力较大的一边，并 呈蜂窝状集中在气缸套中上部及下部。 ( 2 ) 穴蚀常发生在水套狭窄区及高温死角区，缸体在与气缸套穴蚀的 对应位置上也常发生穴蚀，但缸体穴蚀较轻。 ( 3 ) 穴蚀常发生在缸套上、下止口，特别是下止口与缸体肩胛的配合 处( 缸体上安装密封圈的凸肩棱沿上) 亦常见。 ( 4 ) 穴蚀常发生在进水口、水流转 弯处以及气缸套封水圈上缘，形成十分 密集的穴蚀小孔群。如图2 3 所示 的a 、b 、c 、d 四个区域，其中以a 、 b 、c 三个区域最为严重，严重的气缸 套穴蚀区表面一般较清洁，没有腐蚀生 成物沉淀，且呈棕红色。从图中看出： 连杆摆平面内的主推力两侧( a 区) 穴 蚀面积最大，穴蚀形成的深孔洞分布在 气缸套的中上部，在曲轴中心线方向， b 、c 两区呈对称分布，其特点是穴蚀 面积窄而长，孔洞较深，封水圈位置以 图2 3 气缸穴蚀套示意图 f 培2 - 3s k e t c hm 印o f l i i l e rc a v i t a t i o n 上主推力两侧( d 区) 穴蚀稀少，孔洞较小。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 影晌缸套穴蚀的因素 2 4 l 气缸套的高频振动 气缸套产生穴蚀最主要的原因是气缸套受到强烈的高频振动，本文将 用a n s y s 软件分析振动所产生穴蚀的问题。引起气缸套振动的原因还 有： ( 1 ) 气缸套与气缸体座孔配合间隙过大。 ( 2 ) 气缸套与活塞磨损过甚，使之闻隙超过规定要求。 ( 3 ) 柴油机经常处在低温、低速、大负载、负荷猛增猛减的状态下工 作。 ( 4 ) 喷油器喷油速率、喷油提前角过大以及多缸内燃机的各缸喷油量 不均衡。 ( 5 ) 燃油品质差、胶质多，使燃烧室积炭严重，造成内燃机工作粗暴 等。 2 4 2 内燃机工艺性能 ( 1 ) 气缸套和缸体水套表面粗糙度大，对冷却水的流动有干扰作用， 会加速“空穴汽泡”的形成。 ( 2 ) 同组话塞的质量相差较大，在内燃机工作时，由于动平衡破坏而 引起气缸套剧烈振动。 ( 3 ) 发动机在维修、新机组装时，连秆弯曲、扭曲以及曲轴轴向间隙 过大。 ( 4 ) 气缸套壁厚不均匀等。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 3 冷却系统的影晌 ( i ) 冷却系布局不合理也是造成气缸套穴蚀的重要因素，冷却系水套 夹层过窄，局部收缩大的内燃机气缸套穴蚀严重，由于冷却水在流动过程 中流速和压力的急剧变化以及气缸套的局部高温，使冷却水汽化现象严 重，而产生“空穴汽泡”，加速了气缸套的穴蚀。 ( 2 ) 保持冷却水的正常温度( 8 0 9 0 ) ，柴油机长期在较低的冷却水 温状态运转，活塞与缸套的间隙较大，易发生敲缸现象并产生振动，使缸 套易出现穴蚀破坏。实践证明，柴油机长期在5 0 以下运转时，穴蚀破 坏最为严重，而冷却系水温过高，则会加速气泡的形成，使缸套的穴蚀加 速。 ( 3 ) 冷却系统积垢过多也是造成气缸套穴蚀的另一重要因素，在冷却 系统中，化学添加剂久用沉淀，防冻液使用变质，燃油、机油等有害物质 浸入等都会造成水垢增多，使水套局部变窄，狭窄处水流速度加快，压力 降低，致使空气泡容易产生和破裂，气缸套穴蚀加快。 2 4 4 电化学腐蚀及其它腐蚀1 7 1 8 ( 1 ) 电化学腐蚀 不同的金属材料或含有合金或非金属杂质的同一种金属材料都存在 不同的电极电位，如气缸体、气缸套中的铁与碳化铁的电位不一样，在水 套上部冷却水温度较高的部位会形成微电池，铁为负极，碳化铁为正极， 形成腐蚀电池，使铁原子间的电子在一定的条件下转移到碳化铁上去，产 生如下电化学腐蚀： 析氢腐蚀：f e ( 负极) ：f e 一2 e = f e 2 + ( 被氧化) f e 3 c ( 正极) ：2 h 十+ 2 f h 2f ( 被还原) 12 太原理丁大学硕十研究生学位论文 吸氧腐蚀：f e ( 负极) ：2 f e 一4 e = 2 f e 2 + ( 被氧化) f e 3 c ( 正极) ：2 h 2 0 + o z + 4 e = 4 0 h ( 被还原) 同时，由于气泡破裂时产生冲击波的作用，使铁原子内部电子活动剧 烈，易失去电子而更易被腐蚀，电化学腐蚀和穴蚀的共同作用更加速了气 缸套的穴蚀速度。 ( 2 ) 其它腐蚀 化学腐蚀：溶于水中的h 2 s 、0 2 、s 0 2 、c 0 2 等气体与缸套金属发生 化学反应而产生的腐蚀。 高温腐蚀：即热化学( 氧扩散) 腐蚀。在高温下，氧原子与铁原子活力 增大，一方面通过化合反应生成f e o 、f e 3 0 4 、f e 2 0 3 氧化层( 腐蚀层) ，而 且氧原子与铁原子在这种氧化层中渗透扩散形成高温腐蚀。 冲刷腐蚀：缸套的腐蚀产物层( f e 0 、f e 3 0 4 、f e 2 0 3 ) 在水流作用下被 反复冲刷腐蚀一冲刷，形成冲刷腐蚀。 2 5 气缸套穴蚀的预防措施 内燃机工作时，由于受到各种因素的影响，造成气缸套穴蚀是不可 避免的，为防止和减小气缸套的穴蚀发展，可采取下列方法和措施。 2 5 1 提高气缸套抗穴蚀强度 ( 1 ) 材料的选取 我国大中型柴油机所用的缸套材料大部分是灰铸铁加合金元素。在 选取的时候应根据内燃机的性能参数、特点，选择抗穴蚀能力强的优质材 料。比如选用含硼铸铁制作缸套时，含硼铸铁的耐磨性均比各种铸铁的耐 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 磨性高，耐蚀性、铸造性很好，而且没有中磷铸铁的冷脆性。 ( 2 ) 气缸套表面的处理 气缸套外表面镀复硬层或进行氮化处理，提高其表面硬度和租糙度。 由国外的穴蚀试验台试验的结果可以看出，对气缸套外表面镀铬的缸套在 测量精度范围内，几乎无质量损失，说明这种方法是防止穴蚀发生的有效 措施之一。 2 5 2 合理设计气缸套及活塞的外形尺寸 ( 1 ) 采用复合式气缸套【l9 1 ，其结构如图2 - 4 所示，在原气缸套外增加 一个外套，滞留在复合气缸套内的冷却水可 以吸收活塞拍击缸套产生的振动冲击波，这 样可使穴蚀褥到改善。采用复合气缸套的主 要优点是可避免气缸套因装配而引起的任何 可能变形。 ( 2 ) 适当减小缸套与其上下座孔的配间 隙。 ( 3 ) 在保证正常运转条件下活塞和缸套的图2 4 复合式气缸套 配合间隙尽可能减小。 f i g 2 - 4 c o m p a u n d l 协目 ( 4 ) 采取活塞销中心偏置，应用热胀控制措施来适当减小活塞与气缸 套的配合间隙来减小活塞对气缸的拍击程度。 2 5 3 合理设计冷却系及其维护保养工作【2 0 j ( 1 ) 在设计冷却系统时适当放宽冷却水套的宽度，避免出现过窄的水 套夹层；避免水流短路，出现死水区和涡流；改进冷却水在水套中的流向， 1 4 太原理工大学硕士研究生学值论文 加大水泵流量，提高冷却水的流速等，均可减轻气缸套的穴蚀。 ( 2 ) 正确使用冷却水，在冷却水中添加某些防腐剂，用来减少冷却水 的表面张力，减轻“空穴汽泡”的产生及其爆破时的冲击力。冷却水加入 防腐剂后，导电能力降低，有阻止电化学腐蚀的作用。 ( 3 ) 保证柴油机的正常使用温度，及时地补充和添加冷却水以免空气 溶入，平时不要频繁更换冷却水等，定期清除水套内的水垢。 2 ，5 4 在柴油机的使用和维护过程中应注意的问题【2 ( 1 ) 修配时，在允许的范围内尽量减小活塞与缸套的间隙，同时也要 注意影响其配合间隙大小的因素，如连杆的弯曲变形。 ( 2 ) 保证冷却水箱的空气蒸汽阀工作性能正常，可以减少穴蚀发生的 可能性。 ( 3 ) 内燃机起动后，禁止猛轰油门，减少冬季的冷起动次数和长时间 怠速工作。 ( 4 ) 调整最佳喷油提前角，减轻发动机工作粗暴性。 ( 5 ) 对穴蚀不严重的气缸套换向使用，将气缸套有穴蚀的位置旋转一 个方向继续使用，以提高气缸套的使用寿命。 ( 6 ) 认真做好对零配件的清洁工作，工作场所应无污染。 2 6 小结 本章介绍了气缸套穴蚀产生的部位及其特征，并且从力学方面分析了 缸套穴蚀产生的机理，详细地介绍了影响缸套穴蚀的因素，而且还提出了 许多预防措施。 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 使得有限元方法成为结构分析中必不可少的工具及工程计算的有效方法。 足够小的单元，利用插值多项式将所求的参数( 温度或位移) 在单元内的变 化用单元节点上的该参数表示出来。 3 2 | 2 有限元法的解题步骤 有限元法求解问题，概括起来分为以下几个步骤： ( 1 ) 弹性体的离散化 即将要分析的结构分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节 点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体， 以它代替原来的结构，并把弹性体边界的约束用位于弹性体边界上节点的 约束去代替。离散的单元总数和给定物体内单元大小及类型的变化是需要 工程判断的主要问题，通常可使用网格生成程序或预处理程序生成离散体 或网格。 ( 2 ) 单元分析及其类型的选择 单元类型的选择取决于实际受载条件下物体的物理构成，也取决于分 析人员所期望的对实际行为的近似程度，必须判断选择一维、二维或三维 进行理想化是否适当。单元分析用固体力学理论研究单元的性质，从建立 单元位移模式入手，导出计算单元的应变、应力、单元刚度矩阵和单元等 效节点载荷向量的计算公式，讨论单元平衡条件，建立单元节点力与节点 位移之间的关系。 建立单元位移模式 为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问 题时，必须对单元中位移的分布作出一定的假设，也就是假定位移是坐标 的某种简单的函数，这种函数称为位移模式或插值函数。选择适当的位移 1 8 太原理丁= 大学硕十研究生学位论文 模式是有限元分析的关键，通常选择多项式作为位移模式，其原因是多项 式的数学运算比较方便，并且由于所有函数的局部都可以用多项式逼近。 至于多项式的项数和阶次的选择，则要考虑到单元的自由度和解的收敛性 要求，一般来说，多项式的项数应等于单元的自由度数，它的阶次应包含 常数项和线性项等。 根据选定的位移模式，即可导出单元位移与节点位移关系式如下： 扩) = 【 p ) 8 ( 3 一1 ) 式中：驴 单元内任点的位移列阵； p ) 。单元的节点位移数组； 【 单元位移模式矩阵。 单元应变分析 由式( 3 1 ) 可导出节点位移表示的单元应变关系式： 斜= 廖弦产 ( 3 2 ) 式中：扛卜一单元内任一点的应变列阵； 陋卜一单元应变矩阵，扭】= 【j 。 单元应力分析 利用式( 3 2 ) 可导出应力与节点位移关系式： 匆) = p p 2 ( 3 3 ) 式中：p 单元内任点的应力列阵； d 】与单元有关的弹性矩阵。 单元刚度矩阵与单元平衡方程 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 k 】。= 胪n d p 协挑 ( 3 4 ) 式巾：医r 单元刚度矩阵。 导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容，利用最小势能原理， 导出单元平衡方程： ，j 8 = 医j 。科9 ( 3 5 ) 式中： f 。等效节点力。 ( 3 ) 整体分析 即在单元分析的基础上，建立系统总势能计算公式，应用最小势能原 理建立有限元基本方程；引入位移边界条件；求解弹性体的有限元方程， 解出全部节点位移，最后逐个计算单元的应力。 建立整体有限元方程 这一过程包括两方面的内容：一是将各个单元的刚度矩阵，组集成整 体剐度矩阵；二是将作用于各单元的等效节点力列阵，组集成总的载荷列 阵。 最常用的组集刚度矩阵的方法是直接刚度法，即要求所有相邻的单元 在公共节点处的位移相等，得到有艰元基本方程： 医j = 妒 ( 3 6 ) 引入边界条件后，形成一组联立代数方程组，可以写为扩展的矩阵 形式： e ，2 ： k 1 l 五2 l ： k d l 其中n 是未知节点自由度的结构总数，利用式( 3 。7 ) 可解出未知位移，再利 2 0 力涵 、llt，lri，j 嗡限i 峨 1ilj 如：岛 一 如 太原理工大学硕士研究生学位论文 用式( 3 3 ) 可计算各单元的应力，并加以整理求得所要求的结果p 7 。引。 3 2 3 有限元分析软件的选择3 皿4 0 1 有限元分析软件开发也很快，我国已经引进的主要程序有：s a p 5 、 s a p 7 、s a p 2 0 0 0 、a d n a 、a n s y s ，m s c ，n a s t r a n ，u g ，p r o e ，p a s t r a n 及d e a s 等等。大多数有限元程序都提供了前、后处理功能等模块。 从世界范围来讲，汽车零部件结构分析中使用最为广泛的是 n a s t r a n ，a n s y s 和i d e a s 三种软件，本文所用软件平台为a n s y s 7 o 程序，该软件是由美国匹兹堡大学著名力学教授d lj a s w a l l s o n 主持开发， 由s w a n s o n a n a l i ss ”t 啪h l c ( s a s i ) 公司发行的大型通用有限元分析软 件，该软件具有强大的耦合功能，故选用此软件。 3 3 a n s y s 二次开发工：其一a p d l 语言【4 1 础 3 3 1 a p d l 语言 a p d l 即a n s y s 参数化设计语言( a n s y sp a r 鼬e 倒cd e s i 印l a l l g u a g e ) 是一种解释性语言，可用来完成一些通用性强的任务，也可以用于根据参 数来建立模型。程序的输入可设置为根据指定的参数、变量以及选定的分 析标准做决定。a p d l 允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或 分析属性有控制权，例如几何尺寸、材料、载荷、约束位置和单元尺寸等。 a p d l 扩展了传统有限元分析范围之外的功能，并扩充了更高级运算，包 括灵敏度研究，零件库参数化建模，设计修改及优化设计。 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 算、比较、取整和标准f o r t r a n 的三角函数、指数函数、双曲函数。除 用户指定的参数值外，由a n s y s 计算出的值也可娶攀翟娶；季曙曦雎蔓盈 理噶强矬溅曙竖鞴鞭争蜗胬煺；瑚捌奠蒯引灞滋煤掣篡萼若；融并蘧 诬雨耒击醅莓窥菇彘糍鲕省篆二醐冈蒙。籀不百丁能谨罐型酶磕爱耀阵与刚 度矩一阵幂釜复器眨刊蕴挞糯季厦些起二圭导一侄蘩厌| 素来建立计算模型，因此，依据等效原理必须对机 体进行必要的简化。如果对未简化的模型进行网格划分，会生成十几万甚 至二十几万的单元，由于计算机的配置限制，无法完成它的各种计算。基 于以上原因，认为对模型简化是非常必要的 。 由于机体模型为整体动力学分析作准备，不需要机体局部的特性和应 力状况，因此对安装机体附件用的凸台、小的螺栓孔、水道、油孔等对整 体特性影响较小的局部结构予以忽略。机体是箱形结构，其上的加强筋对 机体动力学影响较大而不能忽略，机体、冷却水及缸套实体模型的建立是 按照图纸尺寸进行的。由于课题比较复杂，缸套和机体做成了整体，避免 了非线性的接触分析，建立机体模型时采用的是参数化建模( a p d l ) 4 1 讹1 ， 为以后的优化分析打下了基础。另外程序中需要精确计算活塞与连杆的转 动惯量、质心坐标及质量等参数，还建立了活塞和连杆的实体模型，也作 了很多简化，如图3 1 、3 2 、3 3 x 太匣理工大学硕士研究生学位论文 表格型数组( t a b l e ) ，允许在两个指定的表格项问进行线性插值， 数值元素既可以是整数也可以是实数，与a r r a y 型数组不同，可以用实 数作为行和列的下标，这一特性为数学运算提供了一个非常有用的工具。 数组参数能简化数据输入，例如随时间变化的力函数可使用t a b l e 数 组用最少的数据输入，a n s y s 能计算出未定义时间点的力值。数据输入方 面的应用还有响应频率曲线、应力一应变曲线和材料温度曲线等。另外一 个与数组参数有关的特性是向量和矩阵运算的能力。向量运算( 用于列向 量) 包括加、减、点积向量及其它运算，矩阵运算包括矩阵乘法、转置计 算及联立方程求解。在a n s y s 运行中任何时刻数组参数( 除其它参数外) 能以实数形式写入文件。 ( 3 ) 分支和循环 智能分析需要一个作决定用的框架，利用分支和循环性能把这个框架 提供给a n s y s 程序，循环使用户避免了冗长的命令重复，而分支为用户提 供了控制程序全局和指定程序完成分析的能力。 循环通过典型的d o 循环指令实现。这个指令指示程序重复一串命 令，循环的次数由计数器或其它的循环控制器来控制，控制器根据给定条 件的状态决定是跨过循环还是终止循环。 分支利用类似传统的f o r t r a n 语言中g o 和语句引导程序按非连 续顺序读取命令。g o 命令指示程序转至0 用户标定的输入行，+ 命令是条 件转移命令，只有当满足条件时，该命令才指示程序转到另一行。 + 职一+ t 髓n 一* e l s e 语句用来指示程序根据现行的条件去执行几个动作中 的一个，+ 命令可以包括用户指定的或a n s y s 计算出的参数作评估条件。 分支命令能引导程序根据实际模型或分析作决定，该命令允许部分输入值 随计算出的某些量值改变。 ( 4 ) 重复功能和缩写 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 重复功能是通过去除命令串中不必要的重复来简化命令输出，在某个 输入序列后键入重复命令+ r e p e a t 时，程序将前面的命令重复执行指定的 次数。被重复的命令执行起来就像它是输入的一样，每重复一次，命令变 量就会增加。这些功能可以大大简化模型构造，在模型开发中可以用重复 功能产生节点、关键点、线段、边界条件及其它模型属性。缩写是用于简 化命令输入，如果一个缩写定义好，就可以在命令流输入的任何地方使用。 ( 5 ) 访问a n s y s 数据库数据 第一种用+ g e t 命令。可从特定的项目( 一个点、一个面、一个单元等) 中提取资料并赋值给用户命名的某个参数。各种关键词、标志和数字结合 在一起来确定被提取的项目。例如：+ g e t ，a ，e l e m ，c e n t ，x ，返回的是 单元质心的x 坐标并赋值给参数a 。用该命令可以读取数据库中的信息包 括几何信息、有限元模型信息、a n s y s 图形状态信息、求解过程信息、分 析结果信息等。 另一种是内嵌获取函数。对于某些项目，可使用内嵌获取函数来代替 t g e t 。获取函数返回项目的值可以直接运用于当前运行之中，这样就没 必要先把值赋给参数，然后再在运行中调用该参数，从而可以省去中间作 用的参数，例如：要计算两个节点x 坐标的平均值，用+ g e t 函数： + g e t l 1 ，n o d e ，1 ，l o c ，x! 把节点1 的x 坐标值赋给参数l 1 t g e t ，l 2 ，n o d e ，2 ，l o c ，x ! 把节点2 的x 坐标值赋给参数l 2 t s e t ，m d ，( l 1 + l 2 ) 2 ，! 计算中间值m d 上面的方法是使用g e t 命令，更简便的方法是使用内嵌获取函数n x ( n ) ， 该函数返回节点n 的x 坐标值，这样可以省去中间参数l l ，l 2 。如下示： + s e r ，m d ，( n x ( 1 ) + n x ( 2 ) ) 2 获取函数的实际参数可以是参数也可以是其它的获取函数。例如，获取函 数n e l e m ( e m m ，n i ，o s ) 返【匐在单元e m m 上n p o s 处的节点编号，则联 2 5 太原理大学硕士研究生学位论文 图3 1 机体实体模型 f i g 3 1t h es o l i dm o d a lo f b l o c k 图3 2 活塞实体模型 f i g 3 - 2t h es o l i dm o d a lo f p i s t o n 2 9 太原理t 大学硕士研究生学位论文 g = e 2 ( 1 + ) 3 5 有限元模型网格生成和单元选取 3 5 1 有限元模型网格生成方法概述 ( 3 名) 有限元网格模型( 包括节点资料和单元信息) 的建立，是采用有限元法 求荔萋懋塾澎 蠹；嚣强靖懿酚鍪姬薹；鲫颤雅萌拍瓤扣螅t 丰娉脚i 珀 p h 引霜弱荐妊鬟驺鼹描；笳鞴臻珥漕堪稀型菪晶骗并斡抽诈埘砼拍鞫洋 耱i 薹羟j 磊型箬警肇喜经 存在的宏。 有一点需要注意：在宏的执行阶段 ，若有一个和指定的宏文件同名的 文件存在，a n s y s 将覆盖掉该文件。关于宏的用途还有很多方面，在此不 再作详述。 3 4 实体模型建立 建立实体模型有两种方法：自底向上的构造模型和自顶向下的构造模 型。自底向上的建模方法是指在构造几何模型时首先定义几何模型中最低 级的像素即关键点，然后再利用这些关键点定义较高级的像素( 即线、面 及体) 。自顶向下的建模方法是指一开始就通过较高级的像素来构造模型， 般建模时这两种方法组合使用。 3 4 1 机体模型基本假设 机体在工作过程中工作状态极其复杂，动态特性取决于多方面的因 素，因此，必须对其真实模型进行一系列简化处理： (1 ) 假设机体为一定常线性系统，忽略阻尼的影响： ( 2 ) 机体材料认为是各向同性的，密度分布均匀，并且为完全弹性体； ( 3 ) 假定位移和形变都是微小的。 2 太原理t 大学硕士研究生学位论文 g = e 2 ( 1 + ) 3 5 有限元模型网格生成和单元选取 3 5 1 有限元模型网格生成方法概述 ( 3 名) 有限元网格模型( 包括节点资料和单元信息) 的建立，是采用有限元法 求解问题的先决条件。在整个求解过程中，它通常具有晟大的工作量，随 着有限元技术的广泛应用，有关有限元网格生成技术和可视化研究得到发 展。目前，内燃机零部件有限元网格的生成方式基本上可分为两种类型。 ( 1 ) 不基于几何模型直接建立节点和单元的有限元模型 由于模型相对简单或采用的软件功能有限，早期模型的建立受到软、 硬件条件的限制，只能采用这种方式。依据模型的特点，可以将整个模型 采用手工方式建立，也可以首先通过手工建立一部分节点和单元，然后再 经过旋转、平移、复制等合并操作建立整个模型。但是，这种有限元网格 模型的建立方式需要花费较多的时间和人力，对一些规模较大结构复杂的 模型可能要作大量的简化。另外，节点坐标、单元信息( 例如梁、板、壳 单元的截面特性参数) 、边界条件( 包括位移约束、载荷大小等) 均需手工 计算；同时它也具有易于控制单元类型、节点密度等优点，特别是随着软 件在交互性、可视化方面的发展，更增强了这种建模方式的生命力。现在， 许多具有很强前处理功能的大型有限元分析软件，仍然保留这种建模方 式，只是在使用方便性上有了较大的提高。 ( 2 ) 基于几何模型自动生成节点和单元的有限元模型 近年来，有限元前处理技术功能增强的一个显著特点是c a d 几何造型 ( 特别是三维实体造型) 技术的引入。以几何模型为载体，可以自动生成相 3 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 应的有限元网格模型，根据问题的不同，采用的几何模型也相挂撕? 妊 品删戳，描篡删耕拦野毳重旧吧埕硼瞑卫堆，燎列毽憾。彤防心咧麒悟罐 饼碴崾鞭鹩虹。壳军斋露形磐卜芒驸妻e 鍪舰舀酣驰而蹯啦竹i 馨旦蠢分 葡掣赫吼剖m 耋器馨。量简旨糕知关简糕二豳争史刊因为四面体承六而强 茧壳雏莉汞庇静并硅苹耋文髫黝璧僵臻必德定义越耀星珏有 使用单元 s ol d 9 5 才能实现。过渡部分采用的是金字塔单元类型s o l 9 2 ，此单元 类型是分析时通过一个命令自动生成的，不必单独去定义。冷却水使用 f lu 3 0 声学单元，其余都用s o u d l 8 5 单元，冷却水和缸套及机体之间还 设置了流固耦合界面。活塞形状比较复杂，只能采用自由划分，用的是 s ol d 4 5 单元，由于计算机配置的限制，精