龔金科+何偉+鐘超+田應(yīng)華

摘 要： 針對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋失效問題，在ABAQUS軟件中以某現(xiàn)產(chǎn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)建仿真模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定模型溫度邊界，運(yùn)用熱固耦合理論對缸蓋的溫度分布、應(yīng)力及變形分布進(jìn)行仿真分析.對于分析中發(fā)現(xiàn)的熱應(yīng)力集中的缸蓋鼻梁區(qū)，提出了缸心外凸、平齊和內(nèi)凹的3種對比優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明，采用缸心內(nèi)凹設(shè)計(jì)，降低缸心區(qū)域壁厚，可以有效降低鼻梁區(qū)最大應(yīng)力.與試驗(yàn)對比，仿真模型的溫度分布符合實(shí)際缸蓋溫度分布，驗(yàn)證了此方法的準(zhǔn)確性，為解決柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋失效問題提供了有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.

關(guān)鍵詞：氣缸蓋；耦合傳熱；溫度場；熱應(yīng)力

中圖分類號：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Finite Element Analysis of Diesel Engine Cylinder

Head Based on Thermosetting Coupling

GONG Jinke， HE Wei， ZHONG Chao， TIAN Yinghua

（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China）

Abstract： A simulation model of a certain diesel engine was built by ABAQUS to solve the engine cracking problem. The temperature boundary of the model was calibrated based on experimental temperature data. The temperature and stress/deformation distributions of the diesel engine were analyzed based on the thermosetting coupling theory. Three kinds of cylinder center surfaces including convex， flat， and concave surfaces were put forward due to the thermal stress concentration in the bridge of nose area. Simulations were carried out to verify these three projects. It showed that the stress of the concave surface was smaller than others. Reduction of the wall thickness of the center area decreased the maximum stress of the bridge of nose area. The temperature distribution of the analysis model was found to be consistent with the experimental results. The experimental results also verified the accuracy of the thermosetting coupling numerical simulation. In a whole， the investigation in this paper provides the theoretical basis for the optimization design of the cylinder head.

Key words： cylinder heads； coupled heat transfer； temperature field； thermal stress

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國內(nèi)商用車市場在近年來穩(wěn)步增長，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)售后市場調(diào)查，國內(nèi)柴油機(jī)普遍面臨缸蓋失效的問題，在缸蓋失效的原因中，12%是缸蓋開裂導(dǎo)致，而缸蓋開裂的柴油機(jī)通常需要更換整機(jī)，維修成本昂貴，因此缸蓋開裂問題亟待解決.

氣缸蓋的作用是用來密封燃燒室，安裝配氣機(jī)構(gòu)和外圍零部件.為了達(dá)到密封效果，缸蓋上往往需要施加很大的螺栓力，使缸墊產(chǎn)生形變以保證燃?xì)獠恍孤?在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，氣缸蓋火力面直接與高溫燃?xì)饨佑|，承受高溫高壓燃?xì)獾臎_擊[1].由于缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冷卻系統(tǒng)受到尺寸限制，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)缸蓋各個(gè)位置的溫度非常不均勻.氣缸蓋是內(nèi)燃機(jī)工作過程中工作條件最為惡劣的零部件之一.

氣缸蓋在螺栓預(yù)緊力、閥座的過盈配合、冷熱沖擊等多個(gè)載荷的作用下，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象非常明顯，同時(shí)，機(jī)械載荷和熱應(yīng)力的往復(fù)作用使得氣缸蓋低周疲勞和高周疲勞的問題更為凸顯，實(shí)踐表明，鼻梁區(qū)位置易發(fā)生開裂失效，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作.

為了找出導(dǎo)致缸蓋鼻梁區(qū)開裂問題的真正原因，需要了解缸蓋的溫度分布和應(yīng)力分布情況，通過缸蓋測溫試驗(yàn)，使用硬度塞或熱電偶可以測量出火力面有限個(gè)位置的溫度，但很難將整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度場和應(yīng)力分布情況測量出來，需要通過有限元分析解決以上問題[2].

本文開展了缸蓋熱固耦合分析[3]，發(fā)動(dòng)機(jī)模型采用某現(xiàn)生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋原型，以反應(yīng)實(shí)際缸蓋的真實(shí)情況.分析了缸蓋應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)理，從理論上找出鼻梁區(qū)應(yīng)力集中的原因，針對缸蓋鼻梁區(qū)開裂問題提出改進(jìn)方案，為解決缸蓋開裂失效問題提供指導(dǎo).

1 熱固分析理論

由于氣缸蓋內(nèi)部存在溫差，自由膨脹受到約束，故缸蓋會產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)溫度載荷和機(jī)械載荷共同作用在氣缸蓋上時(shí)，由線性理論可知，應(yīng)力由兩部分疊加而成[4-5].其中，由溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力，與溫度變化成比例，應(yīng)力在所有方向上相同；另一部分應(yīng)力由溫度不變時(shí)外力產(chǎn)生的應(yīng)力構(gòu)成.通過對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分析，對得到的結(jié)果施加溫度載荷，計(jì)算結(jié)果即熱固耦合分析結(jié)果，其結(jié)果滿足如下方程.

2 柴油機(jī)氣缸蓋仿真模型

2.1 柴油機(jī)氣缸蓋網(wǎng)格仿真模型

在進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算前，需對氣缸蓋模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，如除去不必要的倒角和工藝孔，可避免計(jì)算出錯(cuò)并使計(jì)算更快收斂.為了減少網(wǎng)格數(shù)量，缸蓋采用單缸模型，并對缸蓋的火力面局部細(xì)化，使關(guān)鍵位置的結(jié)果更精確.缸體采用6缸中的前3缸以提供充足的約束，使結(jié)果更準(zhǔn)確.

為了提高有限元計(jì)算精度，幾何模型采用不同的網(wǎng)格類型劃分，不同的零件采用不同的單元類型和網(wǎng)格尺寸.通過幾何處理后，采用2階四面體C3D10M網(wǎng)格對氣缸蓋劃分網(wǎng)格，缸體用四面體C3D4網(wǎng)格劃分，缸套用六面體C3D8I網(wǎng)格劃分，閥門、導(dǎo)管、氣門利用六面體和五面體混合單元?jiǎng)澐?，缸墊利用Gasket單元?jiǎng)澐?柴油機(jī)氣缸蓋區(qū)域網(wǎng)格模型，其節(jié)點(diǎn)數(shù)為498 618，網(wǎng)格數(shù)為295 259.建立的網(wǎng)格模型如圖2所示.

2.2 物理模型材料

仿真分析的準(zhǔn)確與否與所設(shè)定的材料物性參數(shù)密切相關(guān).在ABAQUS軟件中，對固體域分別提供缸蓋、缸體、缸套、缸蓋螺栓、閥座、導(dǎo)管等固體材料的熱傳導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)等.由于材料選用的系數(shù)均隨溫度變化，故列出400 ℃時(shí)材料的屬性.柴油機(jī)氣缸蓋選用石墨灰口鐵，彈性模量為139 000 MPa，泊松比為0.27，線膨脹系數(shù)為1.255×10-5（1/K），傳熱系數(shù)為36.6 W/m·K.其余部件材料特性不一一贅述.

2.3 約束條件

對于缸蓋而言，由于采用單缸模型，在切開的兩個(gè)面上采用XSYMM對稱邊界條件，對于缸體，同樣采用XSYMM對稱邊界條件.為了避免模型出現(xiàn)大的剛體位移，應(yīng)對X方向和Z方向施加約束，故對缸體主軸承蓋螺栓孔的節(jié)點(diǎn)施加X方向的固定邊界，對缸體底面施加Z方向的固定邊界.

建立模型約束的目的是建立起各零件之間的相互位置關(guān)系，從而確定其在模型中所處的初始位置，約束定義了各部分自由度之間的約束關(guān)系.本文中主要采用TIE約束和CONTACT PARI約束，TIE約束中，若節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系在約束的容差內(nèi)，節(jié)點(diǎn)自由度將綁定在一起，而CONTACT PAIR約束的節(jié)點(diǎn)可以判斷是否接觸而自由開閉，其結(jié)果更接近實(shí)際情況.相對TIE接觸，CONTACT PAIR計(jì)算成本高，計(jì)算更難收斂.對于大的非線性模型，應(yīng)綜合考慮計(jì)算成本和計(jì)算精度，因此對于非關(guān)鍵區(qū)域，如缸蓋和螺栓的接觸、缸蓋和氣閥導(dǎo)管的接觸等，采用TIE接觸，而缸蓋和缸墊的接觸、缸蓋和閥座的接觸采用CONTACT PAIR接觸，位置容差為0.2，摩擦因數(shù)為0.19.

為了模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)情況，按照裝配和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況順序加載載荷，分為5個(gè)分析步.施加載荷依次分別為：閥座的過盈，缸蓋螺栓預(yù)緊力，爆壓載荷，熱載荷，熱載荷加爆壓載荷.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 缸蓋溫度場分析

通過測溫實(shí)驗(yàn)得到測溫點(diǎn)的溫度，擬合邊界條件，模擬計(jì)算后可得缸蓋溫度，圖3為缸蓋溫度分布.由圖3可以看到，排氣鼻梁區(qū)的溫度最高，為382 ℃，火力面的溫度整體高于其余區(qū)域，高溫帶分布在進(jìn)氣門鼻梁區(qū)和排氣門鼻梁區(qū)靠近缸心的區(qū)域.因?yàn)檫M(jìn)氣的溫度低于排氣溫度，進(jìn)氣道溫度也低于排氣道溫度，所以缸蓋進(jìn)氣側(cè)溫度比排氣側(cè)溫度低大約200 ℃.整個(gè)缸蓋溫度分布不均勻，導(dǎo)致缸蓋熱膨脹不均勻，而產(chǎn)生較大熱應(yīng)力.對于溫度明顯較高的位置，如排氣鼻梁區(qū)和進(jìn)氣鼻梁區(qū)，應(yīng)通過改進(jìn)水套結(jié)構(gòu)降低關(guān)鍵位置的溫度，降低火力面的溫差.

因缸蓋外側(cè)要布置塑料罩蓋和線束，應(yīng)將溫度分布特性考慮在內(nèi).將線束布置在進(jìn)氣側(cè)能有效地降低失效情況的發(fā)生，且對于溫度較敏感的罩蓋等容易產(chǎn)生大變形的零件，應(yīng)在概念設(shè)計(jì)階段考慮溫度的不均勻程度，防止變形不均勻?qū)е碌拿芊獠粐?yán)進(jìn)而產(chǎn)生泄露.

3.2 缸蓋應(yīng)力分布

由于溫度分布不均勻，導(dǎo)致缸蓋熱應(yīng)力較大，應(yīng)力分布如圖4所示.每個(gè)氣門Y方向兩側(cè)有應(yīng)力集中，進(jìn)氣門和排氣門的應(yīng)力集中帶呈45°分布帶.從變形考慮，因?yàn)閅方向的約束小于X方向約束，因此缸蓋在X方向不能自由膨脹，導(dǎo)致氣門兩側(cè)有應(yīng)力集中帶.因此要降低這種熱應(yīng)力，應(yīng)減少對缸蓋X方向的約束，如采用一缸一蓋，降低缸蓋的熱應(yīng)力，降低缸蓋鼻梁區(qū)開裂的風(fēng)險(xiǎn).

3.3 缸蓋變形分析

缸蓋Z方向變形如圖5所示，從缸蓋變形可以看到，火力面缸心區(qū)域的變形明顯小于周圍區(qū)域，因?yàn)楦仔膮^(qū)域的約束較大.因此該區(qū)域有熱應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)，要降低該區(qū)域的應(yīng)力集中，可以考慮減小該區(qū)域的約束.

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

金屬材料的熱變形滿足下列公式[9]：

lt=l0（1+αl×Δt）（5）

即隨著溫度升高，金屬的變形增大，缸與缸之間的約束以及螺栓預(yù)緊力的作用導(dǎo)致金屬的膨脹受到約束.由于缸蓋火力面溫度不均勻，變形不一致，使得約束進(jìn)一步增大.鼻梁區(qū)溫度高，約束大，導(dǎo)致了較大的熱應(yīng)力.傳統(tǒng)缸蓋的火力面是平的，在垂直方向上l0相等，在同樣溫度下變形相同，但是鼻梁區(qū)溫度較高，導(dǎo)致這塊區(qū)域的變形大于其余區(qū)域.

通過對缸蓋熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，若要降低鼻梁區(qū)的集中應(yīng)力，則應(yīng)降低該區(qū)域的約束，由于受到缸蓋尺寸的限制，X和Y方向的改動(dòng)極為有限，因此可從Z方向進(jìn)行改進(jìn).本文提出了3種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋方案，通過對比分析，可驗(yàn)證以上結(jié)論的正確性，并給發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論指導(dǎo).

第1種方案采用缸心朝外凸，中心處壁厚比一般缸蓋厚1 mm；第2種方案采用普通平缸蓋；第3種方案采用缸心朝內(nèi)凹，中心處壁厚比一般缸蓋薄1 mm.3種方案的示意圖分別如圖6、圖7和圖8所示.

通過3個(gè)方案的模擬計(jì)算，得到3個(gè)方案的火力面的計(jì)算結(jié)果分別如圖9、圖10和圖11所示.

由3個(gè)計(jì)算結(jié)果對比分析，方案3的鼻梁區(qū)最大應(yīng)力最小，比平底板的應(yīng)力小10 MPa，最大應(yīng)力減小了2.2%.內(nèi)凹火力面在受熱時(shí)金屬約束減少，金屬得到一定的延伸，導(dǎo)致應(yīng)力較小[10].因此，降低鼻梁區(qū)的厚度可以降低該區(qū)域的約束，從而達(dá)到降低應(yīng)力的目的.在缸蓋實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，由于火力面的加工有多個(gè)機(jī)加工序，很難做成凹形火力面，因此可以通過減薄水套側(cè)鼻梁區(qū)域底板厚度，從而降低鼻梁區(qū)應(yīng)力.

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因一般有：1）由于材料不同，熱膨脹系數(shù)也不同導(dǎo)致變形不均勻；2）同種材料由于受熱不均也導(dǎo)致變形不均勻.缸蓋由同種材料構(gòu)成，則熱膨脹的不同由受熱不均勻造成.對缸蓋熱應(yīng)力的研究，很大程度上可以等價(jià)為對其溫度場的研究[11].基于本文中發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)臺架，對氣缸蓋的溫度分布進(jìn)行試驗(yàn)研究，為熱固耦合數(shù)值計(jì)算提供更準(zhǔn)確的邊界條件，同時(shí)也可以用于試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析.

在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的傳熱試驗(yàn)中，試驗(yàn)采用國Ⅳ柴油，燃油溫度為40±1 ℃，進(jìn)氣總管進(jìn)氣溫度（中冷后）為47±2 ℃（額定工況），出水溫度為90 ℃（額定工況），熱電偶采用穿水套式熱電偶.

為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，在氣缸蓋上不同位置選取11個(gè)點(diǎn)作為測量點(diǎn)，其中5個(gè)點(diǎn)為獲得的邊界條件點(diǎn)，A-F點(diǎn)為驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性點(diǎn).A點(diǎn)位于噴油器孔3 mm處，B點(diǎn)位于噴油器孔8 mm處，C點(diǎn)位于進(jìn)排3 mm處，D點(diǎn)位于進(jìn)排8 mm處，E點(diǎn)位于排排3 mm處，F(xiàn)點(diǎn)位于排排8 mm處，由于A，B點(diǎn)位置位于另一側(cè)進(jìn)排氣門處，故圖12只顯示C-F點(diǎn)位置，圖13為試驗(yàn)裝備實(shí)物圖.

表1為6個(gè)測量點(diǎn)的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比.其中誤差最大的為4.84%，滿足要求.通過試驗(yàn)測點(diǎn)溫度與數(shù)值模擬的比較，可以驗(yàn)證數(shù)值模擬對氣缸蓋傳熱分析方法的準(zhǔn)確性和可靠性.

6 結(jié) 論

1）通過ABAQUS進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，高溫帶分布在進(jìn)氣鼻梁區(qū)和排氣鼻梁區(qū)靠近缸心區(qū)域，整個(gè)缸蓋溫度分布不均勻，導(dǎo)致缸蓋熱膨脹不均勻，產(chǎn)生較大熱應(yīng)力.由于X方向約束大于Y方向，故氣門兩側(cè)有應(yīng)力集中，缸心處的約束較大，缸蓋火力面區(qū)域缸心區(qū)的變形明顯小于周圍區(qū)域.

2）通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸心中心區(qū)域壁厚，設(shè)計(jì)3種不同的方案，對3種結(jié)果進(jìn)行對比，中心區(qū)域壁厚降低，鼻梁區(qū)最大應(yīng)力降低，由此得出缸蓋應(yīng)力集中的原因分析是正確的，且降低鼻梁區(qū)的厚度可以降低該區(qū)域的約束，達(dá)到降低應(yīng)力的目的.

3）通過測量試驗(yàn)測點(diǎn)溫度并與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相接近，驗(yàn)證了熱固耦合數(shù)值模擬對氣缸蓋傳熱分析方法的準(zhǔn)確性和可靠性.

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