（动力机械及工程专业论文）第二代s1110柴油机机体改进与分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 我国现有单缸柴油机主要是七八十年代设计的 结构陈旧 很难符合第二代 单缸柴油机标准的要求 本文以s 1 1 1 0 水冷单缸柴油机为例 利用有限元方法 以机体组件为分析对象 以减轻机体质量从而降低单缸柴油机的比质量为重要目 标 展开了相关研究 本文的主要研究思路是将单缸柴油机机体材料由铸铁改为 铸铝 由于铸铁和铸铝材料属性的不同 改变之后 机体强度变化不大 但刚度 下降 机体关键部位的变形增大 为此 对铸铝合金机体结构进行改进设计 论文利用p r 0 e 以及h y p e r m e s h 软件建立了机体组件的有限元分析模型 之 后运用a 璐y s 软件对其进行求解分析 根据研究思路 制定了三种计算分析方案 即原铸铁机体 原结构铸铝机体和改进结构的铸铝机体 以便对改进效果进行评 估 针对单缸柴油机机体材料改变之后机体整机性能下降的问题 通过增加气缸 盖螺栓数目 增大螺栓沉孔深度以及改变机体内部加强筋的结构形式等措施进行 有限元分析 结果证明改进后的机体在应力分布 气缸套以及轴承孔的变形等方 面均满足了相应使用要求 并在保证铸铝机体的强度 刚度的条件下 机体质量 由3 8 埏减至1 3 8 l g 使整机比质量大幅度下降 另外 论文对改进前后的机体进行了有限元模态求解 通过对机体固有频率 及振型的分析 得到在发动机的正常工作状态下 改进前后的机体均不会发生共 振现象 关键词 第二代单缸柴油机 比质量 机体结构 有限元分析 性能 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 t h es i i l 酉e 聊i n d e rd i e s e lc n 舀n e si nc 妇w e r ed e s i 印e dm o s y 舶m1 9 7 0 st 0 1 9 8 0 s 锄dm e yh a v eb e 锄h a r dt 0c 0 m eu pt 0t l l es t a a d a r do f l e c o n dg e n e r a 矗o n s i i l g l e c y l 砌e rm e s e le n g i n eb e c a 肛s e0 fm eo b s o l e t es t r u c t i l f c t l t 忙w a t e 卜c o o i e d s i i 珂ec y l i i l d e re i 培 m es 1 11 0w 嬲t a k e n 雒as t u d ye x 锄p l ei i lt l l i sp a p e r a n dt h e 抽 w 弱t 0d e c r e a t h ee n g i i l em a 鹃r a t i ob yr e d u c i n gn l eb o d ym a 鲻w i t h l e 觚t e e l e m e m 觚a l l y s i sm e m o d t h er e s e a r c ht h i i l l i i l go ft l l ep 印e rw 硒c h 锄g i i l gt h e m a t e f i a lo ft l l ee n g 通eb o d y 丘d mc 硒ti r o nt 0c 舔ta l 砌i i l i 哪 t h e i i l t e n s i 锣o ft h e b o d yw o l l l dc h 锄g ew e a l l y 世e rt h em e t a r i a lc h a 蟛n g b u tt l l er i 酉d i t yw o l l l dr e d u c e a1 0 t 舔ar e s l l l t0 ft h ed i f f b r c n t 舢m e0 ft w om e t 碰a l s w l l i c hw o l l dl e a dt 0m e d e f 0 衄a t i o no fm ek e yp o s i t i o n t h e r e f o r c n l ec 弱ta l m n i i l i 砌e n 百n eb o d ys t r i 蜘r e n e e d e dt 0b ed e s i 笋e d 觚dh n p r o v e d 1 1 l e p a p e rb u i l t 甜恤缸i t ee l e m e m 觚a l y s i sm o d e l0 fm ee n g h l eb l o c k 勰湖n b u c sb y l ep 姗觚d 脚e f m e s hs 0 脚a r ea n dd i dt l l es o l v i i 喀w o r kb ym e s o n w a r co fa n s y s b 嬲c do nt h er e s e a r d ht h i i l l d i l g t l l ep 印e rf 0 肋u l a t e dn l 脱 c o m p u t a d o n a ls c h e m et 0e s t i i n a t ei m p r 0 v e m e n te f f e c t 跚c h 弱 h eo r i g i i l a lc 弱ti i o n e n 百i l e o r i g i n a lc a 砒a l u m i n i u me n g i i l ea n dt h eo p 岫i z e dc a s ta l 眦i i l i 岫e n g i i l e a c c o r d i i l gt ot h ep r o b l e mo ft h ee n g i n eb o d y sd c g r a d a t i o na 舭rt h em a t e r i a l c h 觚g i l 培 s o m em e 跚盯e ss u c h 弱a d d i i l gt l l ec y l 砌e rh e a db o l t d c e p e i l i n gt h eb o l t c 0 岫t e f b o r ea i i dc h a n 酉n gt l i es 仃e n g t h e l l i n gr i bs t m c t i l r e 锄ds 0o nw e r cp u tf o r w a r d i nm ep 印e r 触c rt l l e 觚t ce l e m e n t 觚a l y s i s t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e 0 p 血1 娩e dc 硒ta l 哪i i l i 啪e n 舀n ec o l l l dm e e tt 0t 1 i e0 p e r a t i n gr c q u i r e l n e n t s 删c h 砌u d e dn l es 仃e 豁d i s t r i b u t i o na n d l ed e f o m a t i o no ft h ec y l i i l d e rl i n e f 锄dt 1 1 c b e a 血gh o l e u n d e rm ec o n d i t i o n l a t 勰s u 血gm c0 v e f a l ls 仃c n g t h 觚dr i 百d 时 l e m a 豁0 fe i 峪i r l cb o d yd e c r e 舔e d 劬m3 8l 喀t 01 3 8k g 锄dt l l eo v e r a ne n g i n em 勰s r a t i od e c r e a s e sb yaw i d em a 玛i n h la d d i 廿o n n em o d e 觚a l y s i so nm eo 血i g a le i 四n ea n dm e0 p t i i n i z c de i 蜘e w e r ec a r r i e do u t b o t he n 咖e sw o l d d1 1 0 tr e s o n a 钯w h e nt h e yw e r ei nt l l en o n i l a lw o f k c o n d i t i o na o c o r d i n gt 0t l l en a t u r a lf 诧小i e ya n dt h em o d eo fv i b r a t i o n k e y 咖r d s n l es e c o n dg e n e r a t i o ns i 衅e c y l 砌e re n g i l l e m 黜r 撕o t h e s t m c n 鹏o f e n g i n eb o d y f i i l 沁e l e m e n ta n a l y s i s p r o p e r t y 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 单缸柴油机是我国上世纪6 0 年代发展的农用动力机械 主要应用在小型拖 拉机 三轮农用车 水泵 小型发电机组 农机具 园林机具等生产工具上 是 农业生产机械的基本动力 在我国工农业发展中发挥重要的作用 目前 市场上所生产的单缸柴油机其缸径范围为6 0 一1 3 5 衄 功率范围为 1 4 7 2 2 k w 转速范围为2 0 0 0 3 0 0 0 咖n i n 冷却方式主要是水冷和风冷两种 布 置方式主要有卧式和立式两种形式 我国单缸柴油机年生产总量多达8 0 0 万台 约占全球单缸柴油机总量的9 0 是世界第一生产大国 近几年 我国每年出口 单缸柴油机2 0 0 万台 约占全球总使用量的6 5 1 1 对于我们这样一个农业大国 随着农村城乡化的发展 单缸柴油机对于发展农村商品经济 沟通城乡经济联系 搞好城乡经济建设都具有十分重要的意义 1 1 第二代单缸柴油机简介 现有的大多数单缸柴油机由于设计落后 耗能污染 结构陈旧等原因 早在 1 9 9 9 年9 月1 日就被列入了国家发改委产业结构调整限制目录 并明确规定单 缸柴油机要限期进行改造升级 从2 0 0 8 年1 0 月2 0 日起实施的新的 内燃机产 品生产许可证实施细则 里提到了一个崭新的概念 第二代单缸柴油机 第 二代单缸柴油机根据 节能减排法 的最新要求 对比油耗限值 比质量限值 排放限值 噪声限值等指标进行改良 而 比油耗 比质量 的明确限定是 第二代单缸柴油机的标准中与以前单缸柴油机最突出的不同之处 比油耗即燃油消耗率 指发动机每发出1 l w 有效功率 在1 h 内所消耗的燃 油质量 以g 为单位 很明显 燃油消耗率越低 经济性越好 比质量为发 动机的干质量与其标定功率的比值 以删为单位 其中干质量指未加 注燃油 机油和冷却液时的发动机净质量 比质量越小 发动机结构越紧 凑 所占用的空间体积也就越小 根据 国家发展改革委办公厅关于先进 的第二代单缸柴油机有关问题的复函 可知 关于第二代单缸柴油机的比质 量和比油耗的具体限值如表1 1 和1 2 所示 1 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 表1 2 比油耗限值 t a b l 2t h el i m i t e dv a l u eo ff u e lc o n s u m p a t i o nr a t i o 要达到比质量限值 比油耗限值 排放限值和噪声限值等指标 第二代单缸 柴油机在设计和性能等各个方面都需要比之前的单缸柴油机有较大的提高 而具 体的性能要求主要体现在以下方面 1 高速化 根据比质量限值的要求可知 第二代单缸柴油机的主要特征 应为高速 短行程 只有这样才能缩小体积 从而减轻重量 但单纯提高现有的 2 江苏大学硕士学位论文 单缸柴油机转速 平衡性能会急剧变差 同时 提高转速以后 机械效率下降 极有可能导致供油和燃烧性能恶化 所以提高单缸柴油机转速有较大的难度 2 轻型化 减轻发动机重量是减小比质量的一个重要途径 机体作为发 动机中单件质量最大的零件 采用密度较低的铝合金或镁合金材料的机体是发动 机轻量化的重要手段 也是顺应第二代单缸柴油机要求的必然发展趋势 3 直喷化 从经济性和起动性考虑 第二代单缸柴油机应采用直喷技术 根据统计资料 直喷型柴油机比分割式柴油机燃油消耗率低1 5 2 0 9 瓜w h 但现 在我国主要是9 0 i n m 缸径以上的柴油机才采用直喷技术 2 目前我国多家油泵油 嘴厂家正积极生产与小缸径直喷机相配套的小型油泵油嘴 随着技术的日趋成 熟 生产成本也会降低 这为小于蛐缸径的单缸柴油机采用直喷技术创造了 有利条件 4 低污染 单缸柴油机的致命问题是噪声大 排气烟多 环保性能差 对环境影响很大 3 1 随着人们环保意识的提高 人们越来越重视单缸柴油机的噪 声和排气问题 而推行直喷技术必定给降低废气排放以及噪声等带来不利影响 这些问题可通过对小缸径直喷柴油机推迟喷油角 提高供油速率和喷油压力和改 进燃烧室形状等措施来解决 5 高可靠性 各种强化指标的不断提高 必然导致单缸柴油机机械负荷 和热负荷不断增加 同时 设计和制造上稍有疏忽就可能使机体出现裂纹等损害 现象 因此无论单缸柴油机的动力多么强劲 燃油多么经济 排放多么环保 可 靠性问题仍是第二代单缸柴油机设计改进和工程应用中所面临的首要问题 在发 动机工作过程中 既不能产生裂纹 也不允许出现大的刚度变形 1 2 单缸柴油机的国内外研究现状 第二代单缸柴油机是顺应市场要求的产物 节能减排是投放第二代单缸柴油 机的目的 但产品的更新必将需要投入大量的人力和物力 需要深入的科学研究 目前 国内外学者对单缸柴油机已经进行了大量的研究工作 而在进行相关研究 时多采用试验研究和有限元数值计算相结合的方法 关于机体的有限元分析计算 的方法已日趋成熟 在柴油机研发设计中 可利用有限元方法进行整体热力学计 算 燃油喷射系统分析 水套c m 分析 气缸内气侧c m 分析 轴系分析 阀 3 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 系分析 曲轴连杆动态分析 主轴承壁有限元分析 气缸盖 气缸套 机体组件有 限元分析等 4 具有非常重要的实用价值 本文主要是采用有限元分析的方法对 单缸柴油机进行改进设计 1 2 1 国外研究现状 众所周知 对于单缸柴油机 西欧以风冷为主 日本以水冷为主 的格局 几十年未变 由于结构简单 单缸卧式水冷柴油机基本上采用凝汽冷却或蒸发冷 却 手摇起动 操作方便 卧式水冷单缸柴油机以日本久保田 洋马 富士重工 最具代表性 风冷柴油机的生产主要在欧洲 基本上为立式机型 考虑其热负荷 问题 故采用直喷燃烧室 此类单缸柴油机结构轻巧 噪声较低 日本在五六十 年代也生产过小型风冷柴油机 但技术较为落后 直到八十年代以后才逐步推出 新一代风冷柴油机 由于采用了很多新结构 新材料 新工艺 使得部份机型可 以与小型通用汽油机媲美 这些新技术主要包括高性能直喷燃烧系统 双弹簧喷 油器 超小型燃油系统 回弹起动器 自动减压装置 双轴平衡 尼龙风扇 复 合钢板 工程塑料以及压铸工艺等 5 由于自身结构的限制 单缸柴油机能够采用的新技术也较为有限 所以推出 的新品并不多 但单缸柴油机的结构改进仍在不断地进行 考虑到大量的改进试 验所需要的成本较高 采用计算机模拟的有限元方法在发动机分析设计中的应用 就不断增多 采用这种方法有利于减小设计成本 缩短设计周期 已逐步发展为 当今发动机及其相关零部件设计的主要手段之一 在国外 采用有限元技术对柴油机进行改进设计的方法很早就被应用 能进 行自主开发设计的公司基本上都将计算机模拟分析技术应用在发动机开发设计 流程中 随着技术的成熟 对柴油机零部件的有限元分析更加全面深入 以求减 小分析误差 而分析的零件大到整个机体 缸盖 小到橡胶密封圈 涵盖了所有 需要分析的零件 通用动力总成部门的j e 晌yq i e 利用有限元法对发动机气缸盖的加工质 量进行了分析 由此改进了气缸盖的加工过程 q 德国大众公司的m b i m l 和 s p 叩c z 对某款水冷式柴油机机体作了模态和静强度分析 并在机体动态分析基 础上估测了机体表面噪声 并对机体作静强度分析时 建模详细全面 不仅考虑 了曲轴和缸盖的影响 还考虑了气缸盖衬垫的作用 得到的应力计算结果与实测 4 江苏大学硕士学位论文 值误差仅有百分之五至百分之十同 八k 删等人对柴油机机体分别为钢材料 铸铁材料 复合碳纤维材料时进行了有限元分析及机械与热应力工况下碳纤维的 失效分析 得出不同材料的应力应变分布情况嗍 为机体结构的改进设计提供了 参考 美国通用公司在柴油机设计开发中经将有限元结构分析技术扩深至分析极 限变形 燃烧引起的热应力以及诸多动态响应分析上 并同试验 概念结合起来 进行新产品新结构的优化 9 1 德国的f e v 公司采用电涡流传感器对气缸套变形 进行测量 同时该公司也采用有限元方法对该问题进行了分析 并将有限元分析 结果和仪器测试结果进行对比发现两种方法所得结果基本一致 1 0 1 1 丰田汽车公 司采用a b a q l l s 软件 对工作状态下的某发动机气缸套进行了有限元分析 分析 气缸套的变形情况阎 由此可见 国外利用有限元分析的方法在发动机的研究中 已经达到很高的水平 有限元方法已经被完全应用到研发生产中 1 2 2 国内研究现状 从1 9 0 8 年广州协同机械厂生产出第一台煤油机算起 我国单缸柴油机已经 发展了1 0 0 余年 作为世界第一农业大国 我国单缸柴油机的发展市场巨大 截 止到2 0 0 7 年 我国内燃机产量已达7 亿1 w 其中单缸柴油机年产量已达8 5 0 多万台 1 2 亿k w 而直接用于农用机械的约为5 0 0 万台 0 8 亿k w 虽然国外的有限元分析技术发展的非常成熟 早在2 0 世纪6 0 年代有限元方 法已被应用于多个实际工程领域问题的求解中 1 3 1 但由于商业原因 国外企业对 其使用的模型数据 经验数据及关键的分析技术是高度保密的 因此国内有限元 技术是最近十几年才发展起来的 在柴油机有限元分析方面与国外存在一定的差 距 最初发展时期 国内计算机硬件条件和有限元分析软件的限制导致对机体只 能做二维有限元分析 但这种方法并不能反映出机体的刚度水平和动态特性 误 差较大 近几年随着计算机水平的发展以及国外成熟有限元软件的引进 国内各 大汽车厂商与国外合作越来越多 并加大了与国内高校的合作 充分利用高校的 研究力量 开始了发动机三维静动态的有限元分析 并取得了丰硕的成果 江苏大学的李晓东针对第二代单缸柴油机的要求 以1 8 6 f a 柴油机为样机 进行了比质量小 低成本的结构设计 低噪声设计 低油耗 低排放 高可靠性 的燃烧系统设计 并设计加装移动用柴油机限油值 最后进行性能试验结果 结 5 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 果表明改进后的1 8 6 f a 完全满足第二代单缸柴油机的性能要求1 1 4 1 奇瑞汽车有 限公司的李红庆建立了包括刚体 框架 螺栓 轴瓦 曲轴轴颈等零件的有限元 模型 分析了模型在螺栓装配载荷工况 轴瓦装配载荷工况及动轴瓦载荷工况这 三种工况下的强度大小 对类似轴承座应力的考核具有一定的指导意义旧 广西 玉柴机器股份有限公司的张玉泉建立了与气缸套相关的发动机有限元模型 对气 缸套的变形进行优化计算 并提出螺栓的布置方式及深度大小 机体的壁厚及机 体的结构均影响缸套的变形 垌 辽宁工学院的段敏对c 1 0 2 b z q 柴油机机体进行了机体的模态分析计算 获得机体的基本振型和相关频率 并应用模态试验验证了模型的精确程度 从而 提出合理的改进方案 1 7 1 江苏大学的崔燕娟以q c 4 8 5 柴油机机体为研究对象 计算了机体的自由模态和约束模态 并用试验模态与自由模态结果进行对比 得 出有限元模态分析能很好地反映机体的动态特性 利用自由模态作为改进的依据 是合理的 堋 中北大学的李坤比较了考虑热负荷与不考虑热负荷下缸套变形的差 异 得到热负荷对缸套变形的影响很大 应引起足够重视的结论 1 9 1 江苏大学 的赵莹对j s l 9 0 柴油机机体进行强度分析 提出对机体采用切向加强筋和 人 字 形加强筋 减小轴承座孔的失圆 并通过一系列的改进措施在减轻机体重量的同 时提高了机体的刚度f 刎 浙江大学贾维新以s 1 1 0 0 单缸柴油机为研究对象 采用拓扑优化和形状优化 相结合的集成优化方法 研究了结构优化方法在发动机机体轻量化设计中的应用 2 1 1 哈尔滨工程大学的潘光艳对t b d 6 2 0 单缸柴油机进行了总体设计研究 针对 冷却系统 润滑系统 配气机构 燃油系统 机体 曲轴 活塞和气缸盖等主要 零部件及平衡系统进行了详尽的设计研究 并利用瓜以b o o s t 软件分析改进了 压缩比 喷油提前角和配气定时等参数 利用a n s y s 软件计算了连杆和曲轴的安 全系数 并对活塞进行了热应力分析阎 以上的这些研究极大地丰富了我国关于发动机产品研究的手段 使我国的发 动机生产与研发技术取得了长足的进步 同样也使得单缸柴油机的发展水平不断 提高 但综合来看 与国外单缸柴油机的发展水平相比 我国在多个方面还存在 着不小的差距 比如比质量较高 排放性能差 振动噪声大 可靠性较低 产品 寿命短等 尤其是在比质量这一重要考核参数方面 国外的单缸柴油机由于采用 6 江苏大学硕士学位论文 薄壁制造 故最大特点为质量轻 比质量一般处于8 1 0 删之间 我国单缸 柴油机的比质量则一般为1 3 的1 5l g 依w 2 3 j 降低比质量最直接的方法就是在保 证机体可靠性基础上减小发动机的质量 本文便是以这一点作为研究方向 运用 有限元分析的方法对柴油机机体进行分析与改进 展开相关的研究 1 3 论文选题的意义和主要研究内容 1 3 1 研究意义 机体是单缸柴油机的核心部件 故机体的可靠性对整台柴油机的可靠性及性 能有着重要的影响 同时 机体作为整台柴油机中质量最大的一个部件 改进优 化机体的结构对于整机的轻量化以及降低其比质量具有重要的作用 s 1 1 1 0 卧式水冷单缸柴油机是我国在七八十年代生产的较为广泛的一款单缸 柴油机 但其结构陈旧 体积庞大 比质量高 已不符合现在的使用要求 在第 二代单缸柴油机的标准实施以后 势必要求对原有机型进行改进 本课题以 s 1 1 1 0 单缸柴油机为研究对象 采用有限元分析的方法 以降低其比质量作为改 进思路 对其进行了分析与改进设计 论文首先将机体由铸铁材料改为铸铝材料 对铸铁机体和铸铝机体结构进行有限元分析比较 找出铸铝机体的薄弱部位 并 对其进行结构优化 使得改进机体可以满足现有的使用要求 论文的研究对于我 国第二代单缸柴油机的开发设计具有重要的参考价值 1 3 2 主要研究内容 本文对s 1 1 1 0 单缸柴油机机体的结构进行了分析与改进 具体的研究内容主 要包括以下几个方面 1 发动机组件的实体建模 根据s 1 1 1 0 柴油发动机的二维图纸 应用三维 造型软件p r o e 对缸套 机体 气缸盖 气缸垫 主轴承盖 后盖板以及各连接 螺栓等零件进行实体建模 考虑到后期的网格划分和有限元分析的需要 根据以 往经验忽略一些凸台 圆角 小油孔等特征 2 建立有限元模型及计算载荷 将建立的发动机组件实体模型导入网格划 分软件h p e r m e s h 中 进行合理的网格划分及施加约束 通过s 1 1 1 0 曲柄连杆机 7 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 构的动力学和运动学分析计算 得到发动机在不同工况下的受力情况 提取分析 时所需要的载荷 3 有限元分析及后处理 分别将原有机型的铸铁材料网格模型和铸铝材料 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 并编写加载程序读入a n s y s 中进行求解 模型收敛后 用a p d l 语言编写后处理程序取出气缸套 主轴承孔 机体顶平面 缸套凸台 主轴承盖端面上的所需节点数据 用m a a b 编写程序 对数据进行后处理 考察模型的变形情况 分析结果比较 根据分析结果 以原机铸铁的可靠性数据为依据 对机 体进行改进设计 并进行a n s y s 分析 直到改进铸铝模型与原机铸铁模型的强度 与刚度相当或更优 5 模态分析 对原机铸铁模型和改进铸铝模型进行自由模态分析 分析比 较两者的固有频率及振型区别 考察单缸柴油机机体在由铸铁材料改为铸铝材料 后结构系统的薄弱环节的变化情况 为以后的单缸柴油机机体的改进设计提供参 考 8 江苏大学硕士学位论文 第二章有限元分析理论及应用软件介绍 有限元法 简单地说 就是用结构力学方法求解弹性力学问题 即首先将连 续体变换成为离散化结构 然后再用结构力学方法进行求解刚 有限元的基本思想是将连续的求解区域离散成有限个单元 并在每一个单元 中设定一定的节点 将连续体看作是利用节点连接的一组单元的集合体 同时选 定节点值作为场函数的基本未知量 并针对每一个单元假设一近似插值函数表示 单元中场函数的分布规律 进而利用力学中的变分原理建立有限元方程用以求解 节点未知量 将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问 题 一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集 合体的场函数 明 显然 如果单元尺寸趋向无穷小 则有限个自由度离散的未 知函数场向无限个自由度的连续未知函数场转化 近似解也就收敛于精确解 但 精度越高 计算时间越长 因此 在解决实际工程问题时 单元数量只要满足工 程需要即可 2 1 有限元分析的步骤及需要注意的问题 有限元的分析过程可以简要的归纳为以下几个步骤 1 把需要分析的求解区域剖分成有限个单元 并按一定规则列出节点序 号和节点坐标等信息 2 对单元进行编号 并列出各单元的节点号 3 计算单元的等效节点力 4 应用变分原理推导单元刚度矩阵 5 将单元刚度矩阵组集合成总体刚度矩阵 6 处理约束 消除结构刚体位移 7 求解结构节点位移矩阵 8 由节点位移计算出单元的应变和应力 在完成上述步骤的过程中 为了达到一定的精度 同时节约计算机存储和节 省计算时间 通常还需要注意以下几个问题 9 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 2 1 1 结构离散化 结构离散化即划分网格 为了更精确地逼近原结构的几何形态 首先根据结 构形态和网格类型选择好单元形态 同时还需注意 1 各单元之间必须以角点相互连接 不允许出现偏差 2 单元形状尽可能规则 单元的平面角和空间角不得小于2 0 0 否则在形 成刚度矩阵后 局部区域的计算结果会出现较大误差 3 在网格划分时必须估计结构的应力梯度 对应力梯度大的区域 网格 必须加密 而应力梯度编号相对不大的区域 网格可以相对疏一些 而且单元由 小到大须逐步过渡 2 6 l 2 1 2 选择位移模式 对典型单元进行单元的特性分析时 选择位移模式是关键一步 通常选择多 项式作为位移模式 位移插值函数 原因是多项式的微分和积分运算比较方便 而且可以用多项式逼近所有光滑函数的矩阵 在选择多项式的项数和阶次时 需 要考虑单元的自由度数和解的收敛性 而协调单元应满足单元的相容性和完备性 要求 一般来说 单元位移模式中的待定常数应与节点自由度相等 由选定的位移模式 导出单元位移和节点位移关系 比 y 埘r i 1 d 式中 一r 单元内任一节点的位移列阵 i 单元位移模式矩阵 d 单元的节点位移矩阵 2 1 3 分析单元的力学特性 单元的力学特性主要包括三部分内容 单元应变 单元应力 单元平衡方程 1 根据单元位移函数 求得单元应变关系式 p 陋 广 式中 1 0 江苏大学硕士学位论文 p y 单元内任一点的应变阵列 陋卜一单元应变矩阵 其分量为坐标x y z 的函数 2 根据单元位移函数和单元应变关系式 解得节点应力和节点位移的关 系式 扫 p p 弦户 式中 缸 单元内任意一点的应力阵列 d 与单元有关的弹性矩阵 是由弹性模量和泊松比确定 与节点的坐 标位置无关 3 利用变分原理建立作用于单元上的节点力和节点位移之间的关系式 并导出单元刚度矩阵表达式 k r 胪i r 陋p 伽 式中 医卜一单元刚度矩阵 咖 单元体积 同时利用变分原理导出单元平衡方程 伊产 医r p 产 式中 舻产为等效节点力 2 1 4 建立结构平衡方程 有限元法中将单元平衡方程组集成结构平衡方程 其中结构平衡方程包括两 方面内容 一是由单元刚度矩阵组集成结构整体刚度矩阵 二是作用于各单元的 等效节点力阵列组集成结构整体载荷阵列 从而得到总体刚度矩阵 节点载荷阵 列和节点位移阵列表示的平衡方程表达式为 陋 医协产 式中 1 1 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 f 卜一整体结构载荷矩阵 医卜一整体结构刚度矩阵 2 1 5 对称性利用 为减小前处理时间和计算时间 在对有限元分析对象进行结构离散时 应首 先检查分析对象是否具有结构对称或反对称特性 并确定是需要取整个结构 还 是只取部分结构作为计算模型 2 2 有限元分析软件介绍 近些年来 有限元分析技术之所以能得到快速推广 与各个有限元分析软件 的不断完善和功能的不断强大是密不可分的 本文在完成相关研究工作时也用到 了多个有限元分析软件 如p r o e h e r m e s h a n s y s 以及m a n a b 等 2 2 1p r q e 软件介绍 p r 0 j e n g i n e e r 是美国参数技术公司开发的一款三维制图软件 作为一套机械 自动化软件 它涵盖了由设计到生产的整个流程 并早已深入工业设计和机械设 计等各个领域 包括对大型装配体的管理 功能仿真 制造和产品数据管理 并 提供了最全面 最紧密的集成产品开发环境 p r o i e 是一个软件包 功能强大 它包括多个模块 基本模块 工业外观造 型c d r s 复杂零件设计工具 装配设计工具 运动仿真模块 疲劳分析模块 塑料流动分析工具 n c 仿真加工 模具设计 二次开发工具包等等阳 p r o e 的核心技术特点包括以下三个方面 1 基于特征 一个完整的复杂模型是由多个特征组合而成的 而造型过 程就是不断地增加特征 p r o e 系统中的特征指某些具有代表性的几何平面形状 并将其所有尺寸设置为可变参数 以此为基础创造更为复杂的几何形体 基本模 型建立成功以后 可以对特征进行一些改动操作 如修改 重定义 插入等 2 参数化 参数化是p r o e 最典型的特点 参数化不仅指将尺寸作为参 数控制模型 还体现为可以在尺寸间建立数学关系式 使它们保持一定的关系 如相对的大小 位置或约束条件 p r o e 系统中主要包含三种参数 局部参数 江苏大学硕士学位论文 外部参数和用户定义参数 因此 参数化的创建可以使设计者通过改变模型中某 个特征而使相关联的特征自动更改 从而更为方便地实现设计意图的变更 采用 参数化技术彻底改变了自由建模的无约束状态 几何形状均以尺寸的形式被 有效控制 尺寸驱动成为造型系统的基本功能 3 全数据相关 p r o e 的所有模块都是全相关的 这就意味着任意修改产 品开发过程中某一处地方 可扩展到整个设计中 同时自动更新所有的工程 文档 包括装配体 设计图纸及制造数据 全数据相关是由于p r o e 建立在 同一基层上的数据库上 即单一数据库 所谓单一数据库是指工程中的资料 来自一个数据库 使得每一个独立用户可以为一件产品造型而工作 不管他 是哪一个部门的 在整个设计过程的任何一处发生改动 亦可以前后反应在 整个设计过程的相关环节上 全数据相关性鼓励在开发周期的任一点进行修 改 且没有任何损失 2 8 1 本课题利用p r 0 e 软件建立了单缸柴油机机体组件模型 主要用到其基本模 块 该模块有着强大的建模功能 模型开放且具有柔性 便于独立用户快速实施 2 2 2h y p e r m e s h 软件介绍 h y p e 蝴e s h 软件是美国 t a i r 公司开发的有限元前后处理器 是世界领先的 功能强大的c a e 应用软件包 h y p e r m e s h 具有工业界主要的g 缸 c i a m 数据格 式接口 支持多种格式的复杂装配几何模型的读入 如p 的 e c 撕a u g s 1 1 三p i g e s 等格式的输入 并可设定几何容差 修复几何模型 而且h y p e r m e s h 支持 各种主流的有限元分析软件 如加塔y s a b a q l l s a u t 0 d y a n f t l s d q a 3 d 等 h y p e r m e s h 为用户提供了一套可靠的网格划分工具 用户可以对每个面 或 每个面的边缘 进行网格参数调节 并能够灵活调节单元密度 单元偏置梯度 网格划分算法等 h y p e r m e s h 能够用一阶或二阶四面体单元对一段封闭区域自动 划分出高质量的单元 还提供了多种三维单元生成方式以构建高质量的四面体 六面体网格和c f d 网格 此外 h y p e r m e s h 还提供了多种形式的网格质量检查 菜单和网格修改工具 使用户可以实时控制单元质量 捌 与其他有限元分析前 处理软件相比 h y p e r m e s h 具有其鲜明的优势 本文在建立s 1 1 1 0 有限元模型时 利用h y p e r m e s h 进行网格划分 建立约束及赋予材料 单元类型 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 2 2 3a n s v s 软件介绍 a i 塔y s 软件是由a n s y s 公司研制的大型有限元分析软件 它包含了许多涉及 到各个领域的分析模块 本课题所用到的主要是a n s y s 软件包中的觚y s m e c b a n j c a l 模块 a n s y sm e c h a n i c a l 为分析结构力学及机械强度的模块 其主要 分析功能可以按单元技术 本构技术和分析功能等几个方面加以说明 1 丰富的单元类型 a n s y s 结构分析常用的单元类型有圳k 杆和索单 元 b b 州 梁单元 s 玎三l l 板壳单元 p 啪 平面问题或轴对称 问题单元 s 0 皿 三维体单元 c o 删 连杆单元 等 同时 a 璐y s 还提供了许多具有特殊功能的单元类型 如用于接触分析的接触单元 c o n r a 以及目标单元 t a r g e 用于划分辅助网格且不参与求解的m e s h 2 0 0 单元 用于辅助加载的表面效应单元 s u r f 等 2 广泛的材料本构模型 a n s 邓m e c h a n i c a l i 的材料模型涵盖各种金属材 料模型以及各种非金属材料模型 如橡胶 泡沫 岩石 混凝土等 3 全面的结构分析功能 a i i l s v sm e c h a n i c a l 具有强大的结构静力学 动 力学分析功能 如静力分析 特征值屈曲分析 模态分析 谐响应分析 瞬态动 力学分析 谱分析等 4 二次开发功能及其他高级功能 除a n s v s 程序提供的基本功能以外 用户可以根据需要通过a n s v s 参数化设计语言 a p d l 用户界面设计语言 u d l 以及用户可编程特性 u l f 等进行各种二次开发 进一步扩充程序 的功能 3 0 1 总体而言 利用觚y s 软件进行有限元计算与分析大致可分为三个步骤 即 前处理 加载求解 后处理 3 1 其中前处理步骤主要包括建立有限元模型 划 分网格 定义材料属性和单元属性 划分实常数 加载求解步骤主要包括定义 施加载荷及边界条件 设置约束条件 设置求解控制参数以及求解 后处理步骤 主要包括读取结果数据 利用云图形式显示结果数据 列表显示结果数据 进行 其他相应后续分析等 并可通过二次开发来读取结果数据 2 2 4m a a b 软件介绍 m a a b 是英文m a n 奴i 加 眦 哆 矩阵实验室 的缩写 m a a b 软件是由美 国m a l w o r k s 公司开发并发布的主要面向科学计算 可视化以及交互式程序设 1 4 江苏大学硕士学位论文 计的高科技计算软件 将数值分析 矩阵计算 科学数据可视化以及非线性动态 系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中 3 2 为科 学研究 工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的 解决方案 并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言 如c f 0 m a n 的编辑模式 代表了当今国际科学计算软件的先进水平 可靠的数值计算和符号计算功能 强大的绘图功能 简单易学的语言体系以 及为数众多的应用工具箱是m a n a b 区别于其他科技应用软件的显著特点 3 3 l 本 文主要是利用m a n a b 软件强大的数据处理功能来完成单缸柴油机有限元分析后 所得到的一些数据的处理工作 2 3 有限元法在发动机结构分析中应注意的问题 发动机主要零部件的结构和工作载荷复杂 使很多问题难以采用材料力学和 弹性力学等经典理论进行解析求解 有限元分析的思想克服了经典理论计算的不 足 可用于解决复杂结构的场分布计算问题 因此随着有限元技术和设计理念的 发展 在发动机设计领域得到了广泛的应用刚 并已逐步成为当今发动机设计 的主要手段之一 发动机的性能也随之得到不断的提高 但进行发动机结构分析 的有限元技术还没有完全成熟 为了得到更为精确的计算结果 仍需要在一些方 面引起重视 并加以改进 具体体现在阁 1 许多大型网格划分软件提供有自适应的h 方法 通过加密网格提高计 算精度 和p 方法 通过提高单元形状函数和阶次提高计算精度 来提高计算精 度 但随着网格密度的增加 单元数目会对应增加 导致计算时间延长 因此对 庞大的机体 缸盖等模型进行分析时 硬件资源一般很难满足计算要求 这就需 要在有限的计算机硬件资源条件下 进一步提高分析效率 寻找合理的简化方案 提高进行复杂模型分析的能力 2 尽管多数网格划分软件具有网格自动划分功能 但能自动生成的网格 多为精度不高的四面体单元 而发动机机体形状复杂 几何尺寸相差悬殊 容易 导致计算结果不收敛以及产生奇异矩阵等 因此要达到一定的计算精度 必须提 高网格的密度或单元的阶次 这样就增大了计算量 因此理论上六面体单元可以 在较小的计算规模下达到较高的计算精度 但对于大型复杂的模型 如机体 缸 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 盖 难以进行六面体的自动划分 而手动划分势必增加前处理时间 所以在对 单元形状进行选择时一定要根据具体条件来确定 3 发动机机体内的水道 油道 水套和气缸套等结构复杂 精度要求高 加之其在实际工作过程中 受载情况复杂 难以准确确定并模拟全面准确的边界 条件 特别是在进行动态分析或温度场分析中 确定激励与换热系数等边界条件 时 问题更为突出 所以在对机体作相关有限元分析时 这方面一定要做细致的 考虑 4 现代发动机零部件采用了许多新型材料 如新型陶瓷 新型合金等 由于对这些材料在不同温度或不同应力状态下的力学性能研究不够 分析时很难 赋予准确的材料参数 影响分析结果的可信度 而发动机工作温度分布不均匀 且是时刻变化的 很难进行准确模拟 故如果能随温度不同设置相应的材料参数 计算结果必将更能符合实际情况 2 4 本章小结 本章首先对有限元分析技术所涉及到的一些基本的理论进行了介绍 包括有 限元分析的具体步骤 分析过程中注意的一些问题等 之后又对本文在完成相关 工作时所用到的一些软件同时也是现在作有限元分析时广泛应用的软件进行了 介绍 主要包括p 阳 e h 卵e r m e s h a m s y s 以及m a n a b 等 最后本章对有限元 法在发动机结构分析时应注意的一些问题作了简要的总结 由此为后面更为准确 地进行s 1 1 1 0 柴油机机体的有限元分析打下一个良好的基础 1 6 江苏大学硕士学位论文 第三章s 111 0 单缸柴油机有限元分析前处理 3 1 第二代s 1 1 1 0 单缸柴油机改进思路 我国目前生产使用的单缸柴油机 有一半以上为七八十年代设计的产品 其 结构陈旧 体积庞大 比质量高 有的高达1 5 9 删 s 1 1 1 0 卧式水冷单缸柴 油机便是其中的一种 第二代单缸柴油机的标准实施以后 s 1 1 1 0 单缸柴油机己 不能满足现有要求 亟需改进 s 1 1 1 0 单缸柴油机的主要技术参数如表3 1 所示 表3 1s 1 1 1 0 单缸柴油机的主要技术参数值 t a b 3 1t h em a i nt e c h n i c a lp a m m e t e f so fs 1 1 1 0 从表3 1 可知 s 1 1 1 0 单缸柴油机的排量为圪 1 0 9 l 比质量为1 3 6 4 k 鲫 w 根据第二代单缸柴油机比质量的标准 对于水冷单缸柴油机 当排量小于等于 1 1 l 时 比质量限值为1 1 5 埏 l w 因此若要通过降低机体质量来满足标准的要 求 整机质量至多为1 5 1 8 l g 即至少需要降低2 8 2 蚝 机体是发动机中单件重 量最大的零件 s 1 1 1 0 柴油机的机体重量约占整机重量的2 1 1 根据文献可知 为了减轻传统的灰铸铁机体重量 目前有三条途径 一是改进结构 二是采用性 能更佳的蠕墨铸铁 三是采用铝合金或镁合金材料p q 相对于铸铁机体 铸铝 机体有如下几点优点 1 重量轻 铸铝的密度约为铸铁密度的2 5 因此相同结构的情况下铸铝 壳体比铸铁壳体轻得多 但同等强度与刚度下铝制壳体体积比铸铁壳体大一些 2 散热性好 铝是热的良导体 铝的导热能力几乎要比铁的大3 倍 1 7 第二代s 1 1 1 0 柴油机机体改进与分析 3 耐腐蚀性好 铝的表面有致密的氧化物保护膜 不易受到腐蚀 4 铸造性能好 铝易成型且易加工成各种复杂形状 可进行各种铸造成 型 生产形状复杂的零件毛坯 但铸铁的铸造工艺相对比较成熟 5 美观 铸铝件外表均匀平整 虽然铸铝表面较软 但这可以采取氮化 处理增加表面硬度的方式来强化 由此不难看出 对于单缸柴油机机体而言 铝合金是一种理想的降重材料 因此本课题的主要研究思路是将材料为h 1 2 0 0 的铸铁机体改为材料为z l l 0 1 的 铸铝机体 并对铸铝机体进行相应的改进 力求改进后的机体的刚度和强度与铸 铁机体的相当 但是因为铝合金的一些材料特性 灰铸铁机体改为铝合金铸造时 还必须满 足以下几点 1 满足传递力流的要求 铸铝材料为z u 0 1 经过t 6 热处理后 许用应 力为2 2 0 砌a 这与 r r 2 0 0 2 5 0 铸铁的相当 已经具有了足够的强度 可以满足 机体的强度要求 但是铝合金的线膨胀系数比铸铁大 所以铝合金机体中螺纹孔 的螺纹会由此发生局部的塑性膨胀 螺栓装配以后 全靠螺纹孔口上最前面几道 螺纹承受作用力 如果静压力太大 就会出现局部塑性化现象 而且高的热载荷 和机械载荷叠加在一起 会引起材料疲劳