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柴油機氣缸蓋的有限元強度分析

發布於:2020-09-24 18:15
有限元分析

       有限元強度分析計算的實體結構組合模型,本氣缸蓋為6缸連體的整體式缸蓋,各缸的結構一致,每缸左右的進、排氣道兩半部分結構有所差異,前後結構基本對稱;每缸的4條缸蓋螺栓預緊力一致, 4條縫合螺栓預緊力也一致,螺栓以氣缸中心麵前後對稱分布,因此在計算時可以把缸蓋簡化為前後對稱結構。
       對缸蓋結構作出精確的計算,必須采用較小的單元長度,為了在減小有限元規模的基礎上細化網格,在建模時采用了缸蓋的一個整缸和兩個半缸作為計算對象。由於主要考察對象是氣缸蓋,故在建模時對氣缸蓋和氣門座圈建立的是詳細實體模型,而對機體等組合結構的其它部分做了適當簡為了區分不同零件的不同材料,首先對幾何模型進行分區處理,分成機體區、氣缸蓋區、氣缸套區及缸墊區共4個大區。根據各區材料特性的不同分別設定各區單元的物理特性參數。為了控製有限元網格的疏密程度及有利於網格的自動剖分,需對各零件部分進一步進行分區處理,並對不同結構區域設定合理的單元長度,由程序自動進行網格剖分。對於實體部分,選用4節點4麵體單元,用杆單元模擬氣缸蓋螺栓,用多節點剛性單元模擬螺栓與機體的螺紋聯接及螺栓與螺母的螺紋聯接。圖為缸蓋的有限元單元網格圖。
       位移邊界條件有機體的剛體位移約束;機體、缸蓋、氣缸套、氣缸墊剖開麵上的對稱位移約束.對模擬螺栓的杆單元兩端節點進行了位移協調約束.所有位移約束都是施加在實體模型幾何元素上的,程序自動將其轉換到相應的節點上。
對於由機體、缸蓋、缸套和氣缸墊組成的組合結構,在缸蓋螺栓的作用下,裝配接觸麵上有接觸效應.本模型中建立了缸蓋與缸墊、缸墊與缸套、氣門座圈與缸蓋之間的接觸邊界條件,計算時,程序根據接觸麵間在變形後的接觸狀態自動進行接觸力的傳遞,由此完成接觸模擬。
       在預緊工況下,氣缸蓋主要承受氣缸蓋螺栓的預緊力和氣門座圈的裝配過盈力。氣缸蓋螺栓的預緊力有兩種,其中缸體螺栓為110 kN,縫合螺栓為50 kN。采用杆單元模擬螺栓,通過在杆單元兩端節點上施加負的節點溫度,由溫差使杆單元收縮而得到準確的螺栓預緊力。氣門座圈的裝配過盈力通過在氣門座圈外柱麵與氣缸蓋的座圈窩內柱麵間設置安裝過盈量來產生,過盈量的大小由它們的配合公差值來確定。在爆發工況時,缸蓋不但承受預緊工況時的載荷,還承受缸內氣體的爆發壓力.以第三缸處於爆發狀態時為計算工況,已知第三缸的最大爆發壓力,根據內燃機運動學和動力學原理分析出相鄰兩缸的缸內壓力,將它們施加於氣缸蓋的火力麵上,作用於氣門上的壓力施加於氣門座圈與氣門的接觸麵上。
       對於第三缸氣缸蓋,根據測試時應變片的布置位置和方向,考查缸蓋頂板9個位置上11個應變片方向的應力值,應變片的粘貼位置及方向見圖。應力的計算結果與試驗結果數據見表。
       氣缸蓋是柴油機中結構最複雜並且承受著很大機械載荷和熱負荷的零件。近代內燃機向高速、大功率方向發展,氣缸蓋高度有適當加大的趨勢,一些高強化柴油機出於提高功率重量比的目的,往往采用鋁合金材料來製造,但是,隨著強化程度的提高,柴油機在運行過程中缸蓋經常發生由於其強度和剛度的不足而引起的問題。某大功率150型柴油機氣缸蓋采用鋁合金製造,在進行考核試驗時,由於結構強度不足而發生斷裂,經過分析,裂紋源是在頂板產生的。根據試驗資料,熱負荷對氣缸蓋火力麵的影響最大,特別是在鼻梁區可以產生很高的熱應力,其產生的主要破壞形式是在鼻梁區產生裂紋,但對缸蓋頂板的影響較小。


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