（动力机械及工程专业论文）气缸套评价指标的研究及机体改进.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本文通过对柴油机机体组件的有限元分析，详细讨论了第二缸爆 发时的气缸套变形情况。根据在一定范围内气缸套变形随着螺栓沉孔 深度的加深而减小，以及在一定范围内气缸套变形随着螺栓预紧力的 增大而变大这两个已知结论，对评价气缸套变形的指标进行筛选，最 后得到一套能合理反映气缸套变形的评价指标。并用该评价指标分析 采用石棉缸垫模型和钢质缸垫模型时，哪种气缸垫更能减小气缸套的 变形。 针对企业在该发动机可靠性试验中连续两次在同一部位发生机 体开裂的严重事故，对机体组件进行有限元分析并提出改进方案，通 过改进方案的模拟分析，妥善地解决了机体开裂问题。 本文主要结论如下： 对评价气缸套变形的九个指标进行筛选，最后得到一套评价气缸 套变形的评价指标，它们为各截面半径平均值与基圆半径之差、圆度、 各截面漏光率、连续n 个截面最小半径、同轴度和圆柱度。 用得到的气缸套评价指标来评价采用不同缸垫对气缸套变形的 影响，最后得出采用钢质缸垫时气缸套的变形较小，从减小气缸套变 形的角度，该机体应该采用钢制缸垫。 通过对机体进行有限元分析，得到机体开裂处的应力并不足以产 生开裂，通过对结构的分析，有可能是铸件金属堆积处的铸造残余热 江苏大学硕士学位论文 应力与机械应力、热应力等叠加造成该位置开裂，因此对机油散热器 内腔清砂孔下方的加强筋、机体前侧面的前端的加强筋以及主轴承座 处的加强筋进行改进，有效地减小了机体的应力集中现象，解决了机 体开裂的问题。 关键词：机体，有限元，气缸套，评价指标，开裂 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ec y l i n d e rb l o c kc o m p o n e n t s ， t h ep a p e rd i s c u s s e si nd e t a i lt h ec y l i n d e rl i n e rd e f o r m a t i o nw h e nt h e s e c o n dc y l i n d e ro u t b r e a k s a c c o r d i n gt ot w oc o n c l u s i o n st h a tw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ed e p t ho fb o l th o l ei nac e r t a i ne x t e n t ，t h ed e f o r m a t i o no f t h ec y l i n d e rl i n e rr e d u c e s ，a sw e l la sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eb o l tp r e l o a d i nac e r t a i ne x t e n t ，t h ed e f o r m a t i o no ft h ec y l i n d e rl i n e ri n c r e a s e s 。t h e t h e s i sf i l t e r st h ec y l i n d e rl i n e re v a l u a t i o ni n d i c a t o r s ，a n df i n a l l yg e t sas e t o fr e a s o n a b l ec y l i n d e rl i n e re v a l u a t i o ni n d i c a t o r s ，a n da n a l y s e st h em o d e l o f a s b e s t o s c y l i n d e r g a s k e t a n dm e t a l l i c c y l i n d e r g a s k e tu s i n g t h e e v a l u a t i o ni n d i c a t o r s t h et h e s i sa n a l y s e st h ep a r to ft h ec y l i n d e rb l o c kt h a tc r a c k e di nt h e t w oc o n s e c u t i v ee n g i n er e l i a b i l i t yt e s t su s i n gf i n i t ee l e m e n t ，a n dt h e n p r o p o s e si m p r o v e m e n tp r o g r a m b yt h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ep a p e r s o l v e st h ec r a c k i n gp r o b l e mo ft h ec y l i n d e rb l o c k t h em a i nc o n c l u s i o ni sf o l l o w i n g ： t h et h e s i sf i l t e r st h en i n ei n d i c a t o r so fe v a l u a t i n go ft h ed e f o r m a t i o no f t h ec y l i n d e rl i n e a r , a n dg e t sas e to fr e a s o n a b l ec y l i n d e rl i n e re v a l u a t i o n i n d i c a t o r s t h e ya r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e na v e r a g e sf o rt h ec r o s s s e c t i o n r a d i u sa n dt h eb a s ec i r c l er a d i u s ，r o u n d n e s s ，t h ec r o s s s e c t i o nl e a k yr a t e ， c o n t i n u o u sn s e c t i o nm i n i m u mr a d i u s ，c o n c e n t r i c i t ya n d c y l i n d r i c a l i i i 江苏大学硕士学位论文 d e g r e e s t h et h e s i sa n a l y s e st h ed e f o r m a t i o no ft h ec y l i n d e rl i n e a ru s i n gt h e d i f f e r e n tc y l i n d e r g a s k e tw i t ht h er e c e i v e de v a l u a t i o ni n d i c a t o r s ，a n d c o m e st ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h ed e f o r m a t i o no ft h ec y l i n d e rl i n e ri s s m a l l e rw h e nu s i n gm e t a l l i cc y l i n d e rg a s k e t t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nc y l i n d e rb l o c k ，w ek n o wt h a tt h e s t r e s sa tt h ec y l i n d e rb l o c kc r a c ki sn o tl a r g e t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h e s t r u c t u r eo ft h ec y l i n d e rb l o c k ，t h ec a u s em a yb et h er e s i d u a lt h e r m a l s t r e s sa tt h em e t a la c c u m u l a t i o na n dm e c h a n i c a ls t r e s sa n dt h e r m a ls t r e s s t h e r e f o r e ，t h et h e s i si m p r o v e st h es t r e n g t h e nt e n d o n sb e n e a t ht h es a n d h o l eo fo i lr a d i a t o rc a v i t 5t h es t r e n g t h e nt e n d o n so ft h ef o r m e ro ft h e c y l i n d e rb l o c k t h ef r o n ts i d e ，a sw e l la st h em a i nb e a r i n gs e t t h e i m p r o v e m e n td e c r e a s e st h es t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o ne f f e c t i v e l y ， a n ds o l v e st h ep r o b l e mo fc y l i n d e rb l o c kc r a k e k e y w o r d s ：c y l i n d e rb l o c k ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ，c y l i n d e r l i n e r , e v a l u a t i o ni n d i c a t o r , c r a c k i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大 学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口 学位论文作者签名：璞可v 指导教师签复兰妻啪 。u 2 0 1 0 年6 月8 日2 0 1 0 年6 月8 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用 的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：璜可v 日期：2 0 1 0 年6 月8 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 在国民经济整体发展良好的背景下，内燃机行业市场的稳定发展，使我国气 缸套行业继续保持快速的增长势头。我国汽车行业市场2 0 0 4 年以来以2 5 的速 度稳步增长，2 0 0 9 年国家对汽车实行优惠政策，汽车产量大幅度提高，汽车产 销分别为1 3 7 9 1 0 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆，首次成为世界汽车产销第一大国。而气 缸套是汽车的必备零部件，因此气缸套的需求量也大幅度提高，并且未来几年内 中国对气缸套的需求量仍会很大。 为满足国家对内燃机的节能、环保、安全等要求，一些能够洞悉内燃机发展 趋势的气缸套制造企业，加强国际间的合作与交流，不断加大了技术改造，提升 技术研发水平，研制开发出了满足欧i i 、欧i i i 、欧技术要求的气缸套，缩短了 与国际内燃机行业之间的差距。在全球经济一体化的趋势下，我国气缸套行业发 展呈现出的特点是：( 1 ) 气缸套材料的多样化，可靠性逐渐提高。( 2 ) 降低排放， 加速产品更新换代。( 3 ) 内燃机气缸套呈系列化发展。( 4 ) 同步设计开发与零库 存要求提高，提升缸套行业总体水平。( 5 ) 零部件的全球采购。中国将逐步成为 全球发动机部件的生产基地【1 1 。 柴油机气缸套作为柴油机的重要零部件，不仅是气体压缩、燃烧和膨胀的空 间，而且还为活塞运动起导向作用。由于气缸套与活塞摩擦副是柴油机中热负荷 很高、机械冲击很大、工作环境最为恶劣的摩擦副，它的运行可靠性在很大程度 上决定着内燃机的使用周期，并直接影响着内燃机的工作性能。而缸套本身又是 薄壁零件，活塞的冲击和机体的变形造成气缸套的失圆，由于失圆造成气缸套与 活塞环之间产生间隙，此间隙无法由活塞环进行补偿，于是产生漏气直接影响发 动机的排放，严重时发动机无法正常工作。因而有必要对缸套在工作中的变形进 行研究【2 】。 气缸套的静态变形( 在螺栓预紧力作用下) 的数据一般是通过机体组件装配 后实测获得，若在实测中发现问题，再改进结构，这样就造成了整机开发周期的 延长，同时增加了研发成本，如果能在设计阶段就能很好的预测气缸套的变形， 江苏大学硕士学位论文 并采取相应的措施在设计阶段就控制气缸套的变形，这将大大缩短研发周期，降 低研发成本。采用有限元计算的方法不仅可以在设计阶段预测气缸套的静态变 形，而且可以得到试验无法测量到的数据，如在工作工况下的气缸套动态变形； 目前评价气缸套的指标很多，有各截面最大半径与基圆半径之差、各截面最小半 径与基圆半径之差、各截面半径平均值与基圆半径之差、各截面半径方差、各截 面圆度、各截面漏光率、连续n 个截面最小半径、同轴度和圆柱度。但是，如何 合理用指标对气缸套变形进行正确的评价是一个技术难题，本研究以某柴油机为 研究对象，通过有限元计算，取得气缸套变形的数据，编程对各指标进行数字化， 并筛选出一套气缸套评价指标，为进一步减小气缸套变形提供理论依据【3 】o 引起气缸套变形的因素很多，概括起来主要有以下几点【4 】。 ( 1 )各种螺栓力矩：气缸盖螺栓力矩，主轴承盖螺栓力矩，各种附件螺栓力 矩( 如水泵螺栓，飞轮壳螺栓等) 。 ( 2 )气缸盖螺栓位置：在发动机设计时，应尽量使气缸盖螺栓均匀分布于缸 筒周围，并且每个缸的四根主轴承盖螺栓与相对应的气缸盖螺栓在一条中心线上 为最佳，气缸盖螺栓孔距离缸筒壁应尽量远。 ( 3 )缸套厚度：众所周知缸套越厚，缸筒变形越小，但是缸套太厚，对冷却 和发动机水套等设计都有影响，且因为气缸套周围的冷却水温分布不均匀，缸套 越厚，由温差造成缸套的热变形越大，所以缸套厚度一般都受到限制。 ( 4 ) 气缸垫面压分布：气缸垫密封圈对缸套的压力与气缸体凸台对缸套凸肩 的支撑力尽量作用在一个方向上，否则将产生附加在缸套顶平面一个力矩，造成 缸筒的扭曲变形。 ( 5 )水套壁厚和水套内加强筋：水套壁的薄厚对缸筒变形影响较大，为了减 小缸筒变形，水套内加筋是一种解决办法，但是加强筋影响水套内冷却水的速度 和方向，必须综合考虑，采用折衷的设计方案。 ( 6 )螺栓孔下沉量：气缸盖螺栓沉孔深度越深，螺栓周围的变形对气缸体凸 台的平面度影响越小，从而减小了缸筒变形。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2国内外研究现状 目前，国内、外对发动机的气缸套和缸体进行分析多采用试验研究和有限元 数值计算相结合的方法。在软件上，一般借助大型的c a e 集成化软件或者采用 大型c a d 软件与专业有限元分析系统相结合的方式，硬件上则采用超级计算机 或者工作站。 1 2 1 国外研究现状 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，早在上世纪八十年代便开始运用三维有限元方法对缸套进行分析研 究 5 一，其中，美国学者c h r i s t i a nlh a i l e r 研究了v l c 0 2 5 1 柴油机在应力作用下 的变形破坏，在此方面作了很多工作同。考虑温度燃气应力、摩擦力以及预紧力 的作用，文献8 1 较为精确地计算了气缸套在发动机工作时及工作后冷却至室温 的变形情况，并指出热变形对性能的影响大于机械变形对性能的影响。文献f 9 ，1 0 1 用特殊的方法测量了发动机工作时的气缸套变形图。文献f 1 1 ，1 2 1 探讨了气缸套的 变形对内燃机的油耗、排放、磨损等具有明显的影响。 1 。2 。2 国内研究现状 随着计算机水平的提高以及国外先进有限元分析软件的引进，国内研究人员 对某些发动机气缸套做了三维有限元分析。文献f 1 3 1 利用有限元分析技术对6 1 1 0 型柴油机的机体、缸套等主要零部件的组合部件进行了结构强度和刚度分析，用 试验方法获得边界条件，并用试验结果标定有限元计算模型，从而获得了较好的 计算结果。文献f 2 1 通过有限元分析与温度场试验研究，获得了4 1 0 0 q b z 系列柴 油机气缸套温度场、应力场与变形结果，为该系列增压柴油机气缸套的开发设计 和改进提供了一定的理论依据。文献 1 4 1 利用有限元分析软件，针对1 7 5 f 柴油 机气缸套，建立数学模型和几何模型。在此基础上，对其温度场进行有限元计算 分析，最后依据有限元的计算结果，对1 7 5 f 柴油机气缸套进行一些探讨。文献 1 5 1 通过有限元计算分析，发现气缸盖螺栓预紧力的大小对气缸套的变形有显著 影响，气缸套的变形随着气缸盖螺栓预紧力的增大而变大，气缸套的受力位置对 3 江苏大学硕士学位论文 气缸套的变形也有较显著的影响。文献【3 】利用有限元分析的方法对y z 4 d e 柴油 机整机组合件进行了结构分析，通过多个计算方案的对比结果表明，缸盖螺栓沉 孔深度对气缸套变形影响最大，在一定的范围内随着沉孔深度的增加气缸套的变 形较小，机体气缸筒外壁的铸造偏心对其影响甚小，气缸盖螺栓预紧力的加大会 加剧气缸套变形。 1 3本课题的主要内容 本文以某柴油机机体组合件为研究对象，分别改变气缸盖螺栓预紧力的大小 和气缸盖螺栓的沉孔深度，通过有限元方法计算气缸套的变形，根据文献中已知 的气缸盖螺栓预紧力和气缸盖螺栓沉孔深度对气缸套变形的影响，筛选出气缸套 变形的评价指标。 本论文的主要内容： ( 1 )用三维造型软件p r o e 对缸套、机体、气缸盖、气缸垫、曲轴、飞轮壳 以及各连接螺栓等零件进行精确建模，考虑到网格划分的需要，忽略一些小圆角 特征。 ( 2 ) 用h y p e r m e s h 对各个零件划分网格，划分时保证接触部分的网格尽可能 相同，并在其中做好各接触面的接触对；对于气缸套，为了精确地取出结果数据， 划分前要做好前处理工作。 ( 3 ) 把网格模型导入a n s y s 中，用a p d l 语言设定各种参数，并编好约束、加 载程序然后求解，收敛后用a p d z 语言编写程序取出气缸套上的所需数据：用 m a t l a b 编写程序对气缸套数据进行后处理。 ( 4 )分别改变气缸盖螺栓预紧力的大小和气缸盖螺栓的沉孔深度，计算气缸 套的变形，从而得到气缸套的评价指标。 ( 5 )用得出的气缸套评价指标分析某柴油机石棉缸垫和钢质缸垫对气缸套变 形的影响。 ( 6 )分析机体的应力，分析机体开裂的原因，并提出改进措施。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章有限元概述及分析工具简介 2 1有限元简介 2 1 1有限元的基本概念 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，也称为有限单元法或有限元素法， 基本思想是将求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连接在一起的单元 的组合体。根据数学、力学原理，推导出每一个单元的作用力方程，组成整个结 构的系统方程，最后求解该系统方程。 有限元分析把物体看成弹性体，三维弹性体的力学基本变量为：位移分量u 、 v、w ；应力分量 、仃y y 、巧z 、f x y 、f 矿吃5 应变分量 占搿、g 拶、s 2 、占f 、g 声、占曩a 求解这些分量，最基本的方程有几何方程与物理方程： ( 1 )几何方程 几何方程用来描述应变与位移的关系，其矩阵形式为式( 1 ) ： a l | 缸 枷 秒 撕 钯 a 搿知 一+ 一 抄缸 却抑 一 r 一 拓 砂 跏a | i | 一+ 一 a xa z ( 2 )物理方程 物理方程用来描述应力与应变关系，在弹性体中要视弹性体的材料而定。在 三维弹性理论中，一般都假定材料是各向同性的，因此，物理方程，即广义h o o k e 5 4 打 露 帮 弦 盘 f 。 g 江苏大学硕士学位论文 定律为： i 毫付 毫口 s 叶l ，l 0oo o00 oo0 2 ( 1 + 弘) 0 0 02 ( i + ) 0 00 2 ( i + ) 式中e 为弹性材料的弹性模量，口为泊松比。 以式( 2 ) 求解应力： a t 吒 可得： t 【d 】纠 式中【d 】称为弹性矩阵，如式( 3 ) ： f 。】。雨e o 而- ! 丽) i l 0 o0 ( 1 一p )( 1 一p ) ” 竺 1竺00 0 ( 1 一p )( 1 一j c i ) 竺竺 l000 ( 1 一声)( 1 一) oo 。丽1 - 2 丽p oo 0 0 00 上兰生0 z t l p j 。o o o 丽1 - 丽2 p 【d 】有多种形式，应予以注意，例如，有的用拉梅系数 g ，l 2 ( i + j 1 ) 6 ( 2 ) ( 3 ) 口 盯 茸 伊 f 譬办办办缸缸 叫叩。o o o 叩。叫o o o 。叫叫d o o 江苏大学硕士学位论文 和剪切弹性模量 f d 卜 五+ 2 g a a o 0 o 盖 a + 2 g a 0 0 o a ；l a + 筋 0 0 0 0oo 0oo 00o g0o 0g0 o 0g 亟+ + 弦+ b 一，l o o x 却次 ( 4 ) 堡+ a o r , 蔓+ 五，硼 缸却a z 。 监+ 堡+ 蚊+ 若：神 戤 毋 讼 o i l 4 r hm t 时 - p i t q l + o 仃m t 抖h = p p t 口l + t 性聃+ o | r = p l 式( 4 ) 中，l 、m 、n 分别为边界表面外法线与x ，y ，z 轴夹角的余弦，p x 、p y 、见 分别表示边界表面的面力分量。 2 1 2 有限元法的一般程序结构 有限元法求解问题，概括起来分为以下几个步骤： ( 1 ) 结构离散化 ( 2 )单元分析 ( 3 ) 应用变分原理推导单元刚度矩阵。 ( 4 ) 集合整个离散化连续体的代数方程。 ( 5 ) 求解节点位移矢量。 ( 6 ) 由节点位移计算出单元的应变和应力。 7 江苏大学硕士学位论文 完整的有限元分析流程如图2 - 1 所示。 图2 一l 有限元分析流程图 f i g 2 - 1 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf l o w 结构离散化是将分析的结构分割成有限个单元体，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，构成一个单元的集合体，以代替 原来的结构，并把弹性体边界的约束用弹性体边界上节点的约束代替。结构离散 化的基本原则有两条：( 1 ) 、几何近似：要求物理模型的几何形状近似真实结构。 ( 2 ) 、物理近似：要求离散的单元特性近似真实结构在这个区域的物理性质。所 谓物理性质，就是该区域的受力情况、变形情况、材料特性等。 产生节点和单元主要有如下四步：( 1 ) 、设置材料属性：( 2 ) 、设置单元属性； ( 3 ) 、设置网格控制选项；( 4 ) 、产生网格。设置材料属性和单元属性是网格划 分之前完成的步骤，典型的材料属性包括弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数。 根据计算的场合以及单元类型选择需要输入的材料属性、单元名、自由度、实常 数等。 8 圈 回 詈 江苏大学硕士学位论文 单元选择一般需要考虑以下因素：( 1 ) 维数：分为零维、一维、二维和三维 单元。( 2 ) 单元特征形状：单元有4 种形状，点、线、面和体单元。点单元只有 一个节点，如质量单元；线单元代表直线或者弧线，通常有2 或3 个节点；面单 元有三角形单元和四边形单元；体单元是四面体或者六面体。 单元分析是用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、应力和单元等效节点载荷向量的计算公式。 2 1 3 有限元法的发展趋势 目前，有限元结构分析趋向于分析系统，而不仅仅局限于零部件的分析。更 高性能的计算机和更强大的有限元软件的出现，使工程师们能够建立更大、更精 确、更复杂的模型，从而为用户提供及时、费用低廉、准确、信息化的解决方案。 随着计算机技术的提高，特别是有限元高精度理论的完善和应用，有限元分析由 静态向动态、线性向非线性、简单模型向复杂系统，逐步地扩大应用范围，主要 表现在： ( 1 ) 求解能力更强大 增加有限元模型几何细节会加强模拟模型与实际结构之问的联系。在实际运 用中，模拟所需要的计算机资源都是巨大的，决定有限元模拟规模大小的因素是 几何离散化程度( 节点数和单元数等) 和所用材料模型的计算复杂性。2 0 世纪9 0 年代，国外对发动机曲轴进行了大约8 0 万自由度线性分析，2 0 0 1 年则采用了5 0 0 万自由度的模型对活塞组件做非线性模拟。随着计算机技术和有限元技术的发 展，在不久的将来，模型可以达到1 亿自由度甚至更大。 ( 2 ) 分析的分界线越来越模糊 在应力和运动的模拟分析之间，传统的分界线将越来越模糊。能做运动模拟 分析的软件也能用于分析结构，如a n s y s 就是集结构、动力学、温度场、流体力 学和磁场于一体的分析软件。同时，相同模型用于多种分析将引起人们的重视。 在汽车工业中，相同模型可用于结构静力学和动力学分析，耦合场分析是这种趋 势的最明显体现。 ( 3 )系统分析 系统分析的出现，使得整个系统、子系统和零部件之间的关系需要综合考虑， 它们之间的影响具有层次性，各零部件之间的影响将表现在整个系统分析中。分 9 江苏大学硕士学位论文 析某一零件时，为考虑其它零件刚度的影响和力的传递，在计算模型中应该包括 相关的其它零件。另外，为了达到对系统整体性能了解的要求，还应该进行系统 内部装配件分析【1 6 1 。 2 2各种分析软件简介 2 2 。1 p r o e 软件介绍 p r o e 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统， 是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 p r o e 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其功能包括参数化设 计、实体零件、组装造型、模具设计、数控加工等。p r o e 是一个功能定义系统， 即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋( r i b s ) 、槽( s l o t s ) 、 倒角( c h a m f e r s ) 和壳体( s h e l l s ) 等，采用这些手段来建立形体，对于工程师来说是 更自然，更直观。p r o e 系统的参数是采用符号表示形体尺寸，不像其他系统是 直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间 的关系；同时，任何一个参数改变，其它相关的特征也会自动修正，这种功能使 得修改更为方便和快捷；造型也不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或 一些支持p o s t s c r i p t 格式的彩色打印机上。p r o e 还可输出三维和二维图形给予其 他应用软件，诸如有限元分析软件及其它前、后处理软件等，这些都是通过标准 数据交换格式来实现，用户还可配上p r o e 软件的其它模块或自行利用c 语言编 程，以增强软件的功能。它在单用户环境下( 没有任何附加模块) 具有大部分的设 计能力，组装能力( a - r ) 和工程制图能力( 不包括a n s i ，1 5 0 ，d i n 或j i s 标准) ， 并且支持符合工业标准的绘图仪( h p g l ) 和黑白及彩色打印机的二维和三维图形 输出【1 7 1 。 2 2 2 h y p e r m e s h 软件介绍 h y p e r m e s h 软件是美国a 4 l t a i r 公司研制开发的一个高效的有限元前后处 理器，能够建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型，与多种c a d 和c a e 软件有良好的接口，并具有高效的网格划分功能【1 8 】。其特点如下： 1 0 江苏大学硕士学位论文 ( 1 )强大的几何输入、输出功能 ( 2 ) 方便灵活的几何清理功能 ( 3 )良好客户二次开发环境 ( 4 ) 与主流求解器无缝集成 ( 5 ) 高质量的网格划分 ( 6 ) 可视化复合材料单元建模 2 2 3 a n s y s 软件介绍 1 ) a n s y s 简介 a n s y s 公司由j o h ns w a n s o n 博士创立于1 9 7 0 年，总部位于美国宾夕法尼亚 州的匹兹堡，a n s y s 有限元程序是该公司主要产品【1 9 1 。a n s y s 软件是集结构、热、 流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应用于核工业、 铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土 木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。 尽管a n s y s 程序功能强大，应用范围很广，但其良好的图形用户界面( g u i ) 及优 秀的程序构架使其易学易用。该程序使用了基于m o t i f 标准的g u i 可方便地访问 a n s y s 的多种控制功能和选项。通过g u i 还可以方便地交互访问程序的各种功 能、命令、用户手册和参考资料。同时该软件提供了完整的在线说明和状态途径 的超文本帮助系统，以协助有经验的用户进行高级应用。 a n s y s 软件主要包括三个部分【2 0 j ：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造较 简单的有限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析 和高度非线性分析) 、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析以及 多物理场的藕合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化 分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、 粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部_ ) 等图形方式 显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以 上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 此外，它有统一和集中的数据库，保证了系统各模块之间的可靠和灵活的集 成；其d d a 模块实现了它与多个c a d 软件产品的有效连接。 江苏大学硕士学位论文 该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备 上，如p c 、h p 、s g i 、s u n 、d e c 、i b m 、c r a y 等。 2 ) a p d l 简介 a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 是一门可用来自动完成有限元常规分析操作 或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，用建立智能化分析的手段为用 户提供自动完成有限元分析过程，即程序的输入可设定为根据指定的函数、变量 以及选用的分析类型来做决定，是完成优化设计和自适应网格的最主要的基础。 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，如 分析模型的尺寸、材料的性能、载荷、边界条件施加的位置各网格的密度等。 a p d l 扩展了传统有限元分析的范围，并扩展了更高级运算包括灵敏度研究、零 件库参数化建模、设计修改和设计优化等【1 6 】。 a p d l 具有下列功能，对这些功能用户可根据需要进行组合使用或单独使 用。 ( 1 )标量参数。 ( 2 )数组参数。 ( 3 ) 分支和循环。 ( 4 )宏。 ( 5 )用户程序。 所有这些全局控制特性，允许用户按需要改变该程序以满足特定的建模及分 析需要。通过精心计划，用户能够创建一个高度完善的分析方案，它能在特定的 应用范围内使程序发挥更大的效率。 2 2 4m a t l a b 软件介绍 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能的数值计算和可视化 软件它集矩阵运算、数值分析、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便、 界面友好的用户环境。它还包括了t o o l b o x ( 工具箱) 的各类问题的求解工具， 可用来求解特定学科的问题。其特点是【2 l 】： 1 2 江苏大学硕士学位论文 ( 1 )可扩展性：m a t l a b 最重要的特点是易于扩展，它容许用户自行建立指定 功能的m 文件。对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用m a t l a b 所提 供的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数，从而很大程度上扩 展了其应用范围。当前支持m a t l a b 的商用t o o l b o x ( 工具箱) 有数百种之多。而 由个人开发的t o o l b o x 则不可计数。 ( 2 ) 易学易用性：m a t l a b 不需要用户有程序设计能力和高深的数学知识，不 需要用户深刻了解算法及编程技巧。 ( 3 )高效性：m a t l a b 语句功能十分强大，一条语句就可以完成十分复杂的任 务。如f r 语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条c 语言语 句的功能。它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。 由于m a t l a b 具有如此之多的特点，在欧美高等院校，m a t l a b 己成为应用于 线性代数、自动控制理论、数理统计、时间序列分析、数字信号处理和动态系统 仿真等高级课程的基本教学工具；在研究单位、工业部门，m a t l a b 也被广泛用于 研究和解决各种工程问题。当前在全世界有超过4 0 万工程师和科学家使用它来 分析和解决问题。 1 3 江苏大学硕士学位论文 第三章机体组件有限元分析 机体组件由多个零件组成，各个零件之间存在相互接触，这种复杂的边界条 件需通过接触分析才能实现。此外，机体组件在工作状态下受到高温、高压和预 紧力的共同作用，在分析中要同时考虑这些载荷对机体组件的影响，需要通过热 一机耦合分析才能实现，而热一机耦合分析所需的温度载荷要通过热传导分析得 到，因此，对机体组件的有限元分析，首先要根据各部件的装配关系进行接触分 析，然后根据分析结果和已有的实验结果确定热传导分析的边界条件，得到机体 和缸套等主要受热零件的温度分布，再引入温度载荷对主要受热部件的影响，并 计算在不同载荷组合作用下机体组件的应力及变形，便得到各种方案的分析结 果。 3 1 模型参数 本课题以某增压中冷直喷型柴油机为对象进行分析、改进。其主要技术参数 如下： 额定功率： n e = 9 6k w ； 额定转速： n = 2 8 0 0r m i n ： 最大扭矩转速 n l = 1 8 0 0 2 0 0 0r m i n 扭矩储备系数u = 1 。1 5 最大爆发压力p z = 1 3 5 m p a ( 9 m p a 非增压机型) 气缸数：i - - 4 ； 活塞行程： s = 1 1 8i i l m ； 活塞直径：d = 1 0 2m m l 缸心距：l = 1 1 8m i l l ； 3 2建立模型 3 2 1 三维模型 用三维造型软件p r o e 分别建立石棉缸垫( 钢质缸垫) 和其他包括机体、气 1 4 江苏大学硕士学位论文 缸盖、气缸盖螺栓、曲轴、止推片、主轴承盖、主轴承盖螺栓、飞轮壳、左右悬 置支架和各零件间连接螺栓的三维实体模型。机体组合件模型的x 方向指向飞 轮壳，y 方向指向机体顶端，z 方向指向机体左侧。 考虑到有限元网格的划分及本次分析的重点零件为气缸套，所以除气缸套外 对各零件进行了必要的去倒圆、小孔等简化。机体组合件和气缸套的三维模型如 图3 - 1 和3 2 所示。 3 2 2 有限元模型 考虑到气缸套后处理的需要，在划分网格前对气缸套垂直于气缸套轴线的内 表面进行分割处理，分割的位置考虑到活塞销中心、油环、第二气环和第一气环， 分别对应第1 2 、1 4 、1 5 和1 6 截面，如图3 3 所示。为了计算的精确度，对气缸 垫采用s o l i d 4 5 的八节点六面体单元，对于气缸套和其他零件采用s o l i d 9 2 单元( 十 节点四面体) 。机体组合件和缸套的有限元模型如图3 4 和3 5 所示。 3 2 3 接触关系 在创建接触面时，如果仅仅简单地把整个物理上的变形体都定义为接触面， 软件将默认变形面中的每个节点都有可能与其它节点接触。而在接触计算中，要 对接触面进行一系列的逻辑判断，包括判定接触面是否进入接触状态，是否发生 分离或者穿透，以便更新刚度矩阵，这个判断过程所消耗的计算资源是巨大的， 如果简单地将整个物理上的变形面定义为接触面，在计算过程中就要对所有的节 点进行这样的逻辑判断，会大大增加计算时间，但是这却是毫无用处的。所以计 算中能否合理地定义接触面，对计算能否顺利高效地进行十分重要。这就要求在 对变形体进行接触面定义时要合理地选择，排除那些不会接触的节点，既要保证 所有接触区域的单元都进行了定义，又要使接触面中包含的单元尽可能地少，以 减少接触单元数量。模型中各接触面的定义如图3 - 6 所示。 3 2 4 材料属性 在有限元计算中，材料参数定义的是否正确对计算结果有很大的影响，因此， 在本文计算中尽可能采用精确的材料参数。主要材料参数如表3 1 所示。 江苏大学硕士学位论文 表3 - 1 材料参数 t a b3 - 1 m a t e r i a lp a r a m e t e r t a b l e 密度p弹性模最e线性膨胀系数 零件名称材料号泊松比u 1 0 _ 6 k g m m a 1o 、m p a 1 0 叩c 机体 主轴承盖、气缸盖、e 轮壳h r 2 5 0 1 3 81 l5 气缸套2 0 钢 后土轴承盖0 t 4 5 07 0 6 16 9 o2 5 71 1 5 曲轴，左、矗前支架 主轴瓦、止推片y 1 1 0 227070 ” 主轴承盖螺栓 其它螺桂 4 5 钢 簿r i j 图3 1 机体组合件三难模型 f i g3 一1 1 h e p m e m o d e l o f t h e c y l i n d e r b l o c k 囤3 - 2 气缸套三维模型 f i g32 t h e p r o e m o d e lo f t h e c y l i n d e rl i n e r 江苏大学硕士学位论文 w “ 图3 - 3 气缸套分割图 f i g 3 - 3s e g m e n t a t i o nc h a r to f t h e c y l i n d e r l i n e r 图3 - 4 机体组合件有限元模型 f i g3 4 t h e f e a m o d do f t h ec y l i n d e r b l 】c k 固3 - 5 气缸套网格图 f i g 3 0 5 t h e f e a 啪d d o f t h ec y b n d e r l i n e r 江苏太擘硕士学位论文 =：=f=?= 33边界条件 图36 接触对 f i 昏3 石c o n t a c t p a i r 在求解有限元方程纽时，只有引入位移边界条件，将它作为约束条件，约束 住刚体位移，以消除总体刚度阵盼奇异性，问题才叮以求解。根据s t v e n a n t 原 理，离约束越远的地方受其影响就越小直至可忽略不计，所以引入边界条件的原 则是既要能保证消除刚体位移，又要使求解不失真。 本章有限元组件分析中的位移边界条件包括根掘实际情况施加左右前悬支 架和飞轮壳上的吲定约束，以及施加在曲轴两端的旋转约束：力边界条件包括螺 栓预紧力和燃气爆发压力；热负荷主要足根据同类机型实测温度场计算得到的温 度场分布。 331 位移约束 根据实际情况，对左前悬支架施加位移仝约束，对右前悬支架施加x 、y 方 向的位移约束，对飞轮壳左端旆加y 、z 方向的位移约束，对飞轮壳右端旌加y 方向的位移约束对曲轴前端施加旋转约束，对曲轴后端施加全约束，以消除系 统的刚体位移。约束效果图如图3 7 3 一l o 所示。 江苏大学硕士学位论文 站缪， 围3 7 左支撑约束 f i g3 7 c o n s t r a i n t o f l e f ts u s p e n s i o n v 方l a l f t ；s j l e 图38 右支撑约束 f i g 3 一s c o n s l r a i n to f i 曲ls u s p e n s i o n 品谚搬 图3 9 飞轮壳约束 图310 曲轴约束 f i 9 3 9 c o n s t r a i n t “f l y w h e e l rf i 9 3 1 0 c o n s t r a i n t o f c r a n k 332 螺栓预紧力 采用a n s y s 的预紧单元p r e s t l 7 9 对各螺栓施加预紧力，各螺栓力预紧力大 小的计算采用如下方法。若t 为预紧时螺母上的拧紧力矩，t 为螺纹副摩擦力矩， t 。为螺栓头部与支承面的摩擦力矩，则 t - t ，十t z 坩h 州鲁培( “n ) 疋= 加阜p 2 咖r 2 d 目= j z 面d f ? - 可a ； 式中： f 螺母与支承血摩擦系数； d 。螺母最大内切倒直径； 江苏大学硕士学位论文 d o 螺孔内径： f 螺母支承面接触面上的压强； 丁= 墨+ 疋= 互1 l d d 2 一增( 兄+ p ，) + 吾 k ，拧紧力矩系数，0 i - - - 0 3 。 d 螺纹大径； d 。螺纹中