來源：數字仿真聯盟

作者：溫世杰，張曉靜

（中國北方發動機研究所 山西 大同 037036）

摘要：某小缸徑柴油機在樣機設計階段的有限元計算和部件裝配試驗中發現預緊狀態下缸套變形過大。為滿足設計指標要求，應用CAE技術對氣缸套變形的影響因素進行計算仿真分析，找出影響該機型缸套變形的主要因素，并進行改進設計，計算數據和部件試驗證明了改進方案的有效性。

關鍵詞：柴油機，缸套, 變形，有限元分析

1 概述

研發某新型小缸徑V型柴油機，在高爆壓、高轉速狀態下，為避免出現缸套變形過大而導致的早期磨損、漏氣量大而影響功率指標、甚至導致拉缸等嚴重故障的出現，對在裝配狀態下氣缸套的變形量有嚴格的技術指標要求，其最大橢圓度值應低于25um。

在原理樣機設計階段進行的計算仿真分析和部件變形測量試驗的結果，發現氣缸套在冷機裝配狀態下的變形遠遠超出了設計指標的要求，缸套上、中、下三個部位的橢圓度值分別為38.3、20.0、-31.2um，這一結果證明機體以及氣缸套的方案設計遠沒有達到技術指標的要求，必須進行改進設計。

初步判斷導致該機型缸套變形超標的因素有：鋁合金彈性模量較低（僅為灰鑄鐵的二分之一左右）導致機體整體剛度不足，且缸套支撐部位剛度分布不均勻，在預緊狀態下整體變形過大，局部的扭曲導致缸套受力不均勻；高爆壓使氣缸蓋緊固螺栓預緊力設計值偏高，缸套受力過大；緊固螺栓的布置對氣缸套上端面受力均勻性的影響。

此外，影響缸套變形的直接因素還有：

氣缸套的壁厚、結構型式和剛度；機體與缸套之間的支撐結構型式，機體與缸套之間的裝配間隙；機體與缸蓋之間的密封形式及氣缸墊的結構型式等。

為使氣缸套在預緊狀態下的變形值達到設計指標的要求，針對該機型選取相關的氣缸套變形的多種影響因素進行了計算對比分析，找出該機型影響缸套變形的主要因素，開展針對性的改進設計，使缸套變形達到技術指標的要求。

2 原方案計算分析及試驗數據

如圖1所示為原方案的有限元計算仿真分析模型。因該V型機左右排機體、氣缸蓋結構、螺栓力等基本對稱，只是在曲軸軸線方向相差一錯缸距，所以在進行氣缸套變形計算時，為減小計算規模，計算選取V型柴油機左排中間缸加1、3兩個半缸，在Pro/E wf3軟件環境中建立三維裝配體模型，所建立的模型由部分機體結構、氣缸蓋、氣缸套、預緊螺栓、氣缸墊組成。將三維裝配體模型導入Ansys Workbench10.0中建立有限元計算模型。為確保計算精度，各零部件只對影響網格劃分質量的細微結構進行了簡化，計算選用十節點四面體單元和八節點六面體單元，由有限元程序自動進行網格剖分(圖2)。

          

圖1  原方案計算用三維實體模型     

圖2    有限元計算網格模型

計算工況為裝配預緊工況，所施加的載荷為缸蓋四個緊固螺栓的預緊力，其中氣缸套與機體、氣缸墊與氣缸套、氣缸蓋之間的接觸邊界條件,由有限元程序根據接觸狀態自動在接觸面上建立。

表1列出了計算所得的組合結構模型在裝配預緊工況氣缸套的變形值和試驗值的結果和對比。橢圓度值正號表示沿曲軸方向拉長，負號表示垂直于曲軸方向拉長。

表1  缸套變形計算與試驗數據對比（um）

缸套位置	計算	試驗	對比
上截面	36.3	38.3	5.60%
中截面	18.5	20.0	8.30%
下截面	-32.1	-31.2	-2.80%

計算和試驗數據對比的結果誤差控制在10%以內，證明計算模型正確，滿足工程分析要求，后續的分析均采用相同的模型設置。

數據分析表明缸套變形過大，未能滿足設計技術指標要求，需要進行進一步的分析和改進。

3 主要影響因素研究

針對該機型的機體、氣缸套結構設計各種約束，選取了4個可行的設計方案進行缸套變形的影響因素計算分析，以便找出主要影響因素，對機體、氣缸套組合結構進行有針對性的方案設計，使缸套變形能夠得到最有效的抑制。

a. 缸體螺栓預緊力大小

螺栓預緊力初始設計為125KN，計算從125KN~110KN，分3個計算步。

b. 缸體螺栓位置布置

如圖3所示，缸體螺栓初始設計a/b比值為1.32，調整其終值為1.0，計算范圍從1.32~1.0，分3個計算步。

 

圖3  缸體螺栓位置布置示意圖

c. 氣缸套的壁厚

初始設計為5mm，計算從4mm~6mm，步長為1mm進行。

d. 機體支撐部位的剛度

將機體缸體螺栓壓緊區域單獨分區，在計算模型中改變其材料屬性，彈性摸量E值從68.6GPa~210GPa，選取3個計算步進行。

表2為每個方案中的最終計算步的計算結果列表，表3為各計算數據與原方案數據對比結果。圖4為各方案與原方案的數據對比曲線(方案a~d對應1~4，5為原方案結果)。

表2  缸套變形多方案計算最終結果（um）

缸套位置	方案a	方案b	方案c	方案d
上截面	34.1	28.2	34.3	30.6
中截面	16.7	12.4	16.9	12.9
下截面	-30.3	-24.7	-30.7	-26.8

 

表3  多方案計算最終結果與原方案對比

缸套位置	方案a	方案b	方案c	方案d
上截面	-6.06%	-22.31%	-5.51%	-15.70%
中截面	-9.73%	-32.97%	-8.65%	-30.27%
下截面	-5.61%	-23.05%	-4.36%	-16.51%

 

圖4  各方案與原方案數據對比

從對計算結果的對比分析中，可以得出如下的結論：方案b改變螺栓的布置方式和方案d增加機體支撐部位的剛度，對缸套變形相對于其它兩個方案有顯著的影響。其中方案b改變螺栓的布置方式效果最明顯，對缸套變形的影響最大達到了-32.97%。由此可以證明因為結構設計原因，缸體螺栓位置設計不合理導致預緊力分布不均勻，支撐部位剛度較弱，或者剛度分布不均勻導致機體變形大，進而影響了缸套的變形。

4 改進設計及驗證

針對主要影響因素研究的結論，在改進設計方案中，選取改變缸體螺栓位置，使其盡可能達到正四邊形的布置，增大機體支撐部位的剛度和降低預緊載荷的方法。具體設計方案為：缸體螺栓位置布置a/b比設計值為1.06；改進機體支撐部位設計結構，在支撐部位加入鋼質鑲圈，以便提高缸套支撐部位的剛度，將最終的預緊載荷定位為115KN。

針對上述改進重新進行有限元計算分析，計算結果如表4所示。

表4  缸套變形改進方案計算結果

缸套位置	計算	試驗	對比
上截面	22.3	23.7	6.10%
中截面	15.5	16.7	7.50%
下截面	-24.1	-23.2	-3.80%

由計算結果可知，綜合采用上述改進措施重新設計的機體組合結構方案，缸套變形結果滿足了設計技術指標的要求。

5 結論

影響缸套變形的因素有多種，不同類型的組合結構設計方案，起主導作用的影響因素也不同，需要在設計允許的范圍內進行多方案的對比分析，找到主要因素以便進行有針對性的改進設計，CAE技術的應用使實現高效、便捷的多方案對比分析成為可能。

 

參考文獻

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4廖日東.內燃機零部件CＡＤ方法學研究與應用[Ｄ].北京理工大學,1999

作者簡介：

溫世杰、男、1969年8月、碩士、高工、主要研究方向為動力機械結構仿真分析與優化設計

張曉靜、女、1982年7月、大學本科、工程師、主要研究方向為動力機械結構仿真分析與優化設計

 文章來自第七屆中國CAE工程技術分析年會論文集