（動力機械及工程專業(yè)論文）基于有限單元法的柴油機氣缸套失圓研究.pdf

基于有限單元法的柴油機氣缸套失圓研究 i n v e s t i g a t i o no nc y l i n d e rl i n e rb o r e d i s t o r t i o no f d i e s e le n g i n eb a s e do nf e m 學科專業(yè)：動力機械及工程 研究生：戶登飛 指導教師：舒歌群教授 天津大學機械工程學院 二零零八年六月 摘要 伴隨著現(xiàn)代發(fā)動機向輕量化、高速化和高功率密度化發(fā)展，作為發(fā)動機的核 心部件，氣缸套在工作中承受著越來越高的熱負荷、氣動載荷和機械負荷，不可 避免地出現(xiàn)缸套失圓現(xiàn)象。在發(fā)動機工作過程中，缸套的失圓直接影響到氣缸套 與活塞環(huán)間的間隙以及缸套與缸蓋間的密閉性，從而導致機油消耗增加、產(chǎn)生竄 漏、增加磨損和燃油消耗。為了達到將來的排放法規(guī)要求和提高燃油經(jīng)濟性，研 究氣缸套失圓問題是十分必要的，因而具有重要意義。 氣缸套失圓問題的復雜性和發(fā)動機結(jié)構(gòu)特性決定了使用解析的理論分析方 法和試驗研究方法研究該問題存在一定的局限性。隨著c a e 技術(shù)的不斷發(fā)展， 三維仿真技術(shù)越來越成熟，利用有限元法模擬計算氣缸套失圓成為可能。本論文 利用c a e 技術(shù)的優(yōu)勢，重點研究預緊力作用下和熱一機耦合狀態(tài)下的氣缸套失圓 問題。 參照4 1 0 0 q b 柴油機機體模型，本文建立理想的薄壁桶模型和螺栓一體化模 型，以研究預緊力合理的施加方式。結(jié)果表明，通過建立接觸對來施加預緊力的 方法是合理的，能達到計算精度要求。 通過設置不同預緊力水平、材料屬性、預緊螺栓長度和螺紋孔第一螺紋位置， 研究薄壁桶件模型在不同狀況下的缸套失圓，重點研究缸套失圓的規(guī)律性，對各 變形影響因素進行定量分析。結(jié)果表明，氣缸套在預緊力作用下整體呈現(xiàn)規(guī)律的 四階失圓，上部失圓度最大，下部失圓度較??；預緊力對失圓的貢獻最大，隨著 預緊力的增大，氣缸套失圓度增大；氣缸套和氣缸襯墊的剛度都直接和間接地影 響到缸套的失圓度，較大的剛度可以降低缸套的失圓度；螺栓長度增加能夠更平 均地分配預緊力，從而對氣缸套失圓有一定影響；螺栓孔第一螺紋位置的降低可 以減小氣缸套的失圓。 利用薄壁桶模型的研究結(jié)果，通過建立某公司4 1 0 0 q b 柴油機的實體及有限 元模型，分析組合體的溫度分布，并研究該機在預緊力作用下和熱機耦合作用 下的氣缸套失圓。結(jié)果表明，熱一機耦合作用下的失圓度遠大于預緊力工況下的 失圓度，且整體呈二階橢圓失圓。 關鍵詞：氣缸套失圓預緊力有限單元法柴油機 a b s t r a c t w i t ht h em o d e me n g i n e sd e s i g n e dt oo p e r a t ea th i g h e re n g i n es p e e d sw i t hl o w e r w e i g h ta n dh i g h e rp o w e rd e n s i t y ，t h ec y l i n d e rl i n e r ，o n eo f t h ep i v o t a lp a r t so f e n g i n e ， w o r k sw i t hh i g h e rt h e r m a le f f e c t s 。c o m b u s t i o np r e s s u r ea n dm e c h a n i c a l l o a d s ，w i t h t h ec y l i n d e rl i n e rd i s t o r t i o nw h i c hc a n n o tb ea v o i d e d i nt h ep r o c e e d i n go fe n g i n e o p e r a t i n g ，t h ec l e a r a n c eb e t w e e nc y l i n d e r l i n e ra n dp i s t o nr i n g s ，a n dt h es e a l e d b e t w e e nc y l i n d e rl i n e ra n dc y l i n d e rh e a dw i l lb ea f f e c t e db yt h ec y l i n d e rl i n e r d i s t o r t i o nd i r e c t l y , w h i c hw i l lc a u s et h eo i lc o n s u m p t i o n ，t h eb l o w b y , t h ew e a r b e h a v i o ra n dt h ef u e lc o n s u m p t i o n i no r d e rt oa c h i e v ef u t u r er e q u i r e m e n t sr e g a r d i n g e x h a u s te m i s s i o n sa n df u e lc o n s u m p t i o n s ，t h er e s e a r c ho fc y l i n d e rl i n e rd i s t o r t i o n p r o b l e mi se s s e n t i a l ，a n dp l a y sas i g n i f i c a n tr o l e i ti sl i m i t e dt os t u d yc y l i n d e rl i n e rd i s t o r t i o nb yt h e o r ya n a l y s i so re x p e r i m e n td u e t ot h ec o m p l i c a c yo ft h i sp r o b l e m b yt h ed e v e l o p m e n to fc a et e c h n o l o g y , t h e t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nb e c o m em o r em a t u r e ，a n du s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t oc a l c u l a t ec y l i n d e rl i n e rd i s t o r t i o nb e c o m ef e a s i b l e t a k i n gt h ea d v a n t a g eo fc a e t e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rw i l ls t u d yc y l i n d e rl i n e rd i s t o r t i o nu n d e rt h ef u n c t i o no f c l a m p i n gl o a d sa n dc o u p l e d t h e r m a l - s t r e s s t od i s c u s sr e a s o n a b l el o a d i n gm e t h o do fc l a m p i n gl o a d s ，t h ea r t i c l eb u i l d st h e t h i nw a l lb a r r e l ( t w b ) m o d e l ，a n dt h eb o l t b l o c km o d e l ，b yt h er e f e r e n c eo f4 1o o q b m o d e l t h er e s u l ts h o w st h a ti ti sl o g i c a lt os i m u l a t ep r e l o a d sb ye s t a b l i s h i n gc o n t a c t p a i r s ，a n dt h ec a l c u l a t i n ga c c u r a c yi sa c c e p t a b l e b ys e t t i n gu pd i f f e r e n tp r e l o a d s ，m a t e r i a lp r o p e r t y , l e n g t ho f b o l t sa n dl o c a t i o no f t h ef i r s tw h o r l ，t h i sp a p e rs t u d yc y l i n d e rl i n e rd i s t o r t i o no ft w bm o d e l ，f o c u s e so n t h er u l eo fd i s t o r t i o n a n da n a l y z ei n f l u e n c ef a c t o r t h ec o n s e q u e n c ei n d i c a t e st h a tt h e c y l i n d e rl i n e ru n d e rt h ec l a m p i n gl o a d sp e r f o r m sf o u r t h o r d e rd i s t o r t i o nw i t hh i g h e r d i s t o r t i o no nu p p e rp a r ta n dl o w e rd i s t o r t i o no nu n d e r s i d e ；c l a m p i n gl o a d sw h i c hw i l l c a u s el a r g e rd i s t o r t i o nw i t hh i g h e rl o a d sv a l u ea r et h em a j o rr e a s o no ff o r t h - o r d e r d i s t o r t i o n ；t h es t i f f n e s so fc y l i n d e rl i n e ra n dg a s k e th a v ei n f l u e n c eo nt h ed i s t o r t i o n ， w h i c hm e a n st h el o w e rs t i f f n e s sg e n e r a t e sl a g e rd i s t o r t i o n ；o w i n gt ot h el o n gb o l t d i s t r i b u t i n gl o a d sa v e r a g e i tc a ne f f e c td i s t o r t i o na n dt h el o w e rl o c a t i o no ft h ef i r s t w h o r lw i l ir e d u c et h ed i s t o r t i o n u s i n gt h ec o n s e q u e n c ea b o v e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n a f t e rb u i l d i n g4 10 0 q bs o l i dm o d e la n df i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t os t u d y c v l i n d e rl i n e r d i s t o r t i o nu n d e rt h ef u n c t i o no f c l a m p i n gi o a d sa n dc o u p l e dt h e r m a l s t r e s s t h er e s u l t s h o w st h a tt h ed i s t o r t i o nu n d e rc o u p l e di sf a rl a r g e rt h a ni tu n d e r c l a m p i n gl o a d s a n d t h ec y l i n d e rl i n e rp e r f o r m ss e c o n d o r d e rd i s t o r t i o n k e y w o r d s ：c y l i n d e r l i n e r , d i s t o r t i o n ，c l a m p i n gl o a d s ，f e m ，d i e s e le n g i n e 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得叁鲞盤鱟或其他教育機構(gòu)的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名： 弋9 ， 簽字日期：歹卵艿年占月己日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解苤盜盤堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權(quán)丞盜盤堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 一躲黟 簽字日期：磚g 月 日 導師簽名： ( 民川 簽字日期：w 年6 月f6 日 n 少 ，一) 第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 自問世以來，內(nèi)燃機在各行業(yè)各領域內(nèi)扮演著重要的角色，發(fā)揮著重要作用。 內(nèi)燃機憑借其出色的表現(xiàn)在國民經(jīng)濟建設和國防工程上得到了廣泛的應用。隨著 能源問題的日益嚴峻，以及技術(shù)的進步和競爭加劇，內(nèi)燃機不斷向高強度、輕量 化方向發(fā)展，以期獲得更優(yōu)的動力性、經(jīng)濟性，這樣不可避免的導致了內(nèi)燃機工 作環(huán)境的惡化。 作為內(nèi)燃機的核心部件，氣缸套承受著燃燒氣體產(chǎn)生的熱負荷和各種機械負 荷，其運行可靠性在很大程度上影響著內(nèi)燃機的使用壽命，并直接影響內(nèi)燃機的 工作性能。而氣缸套失圓是內(nèi)燃機工作過程中不可避免的現(xiàn)象，很早就被內(nèi)燃機 工作者注意并研究。在設計內(nèi)燃機時，缸套失圓是必須考慮的問題，許多內(nèi)燃機 工作者為之做了大量工作。最初，人們考慮缸套失圓是從內(nèi)燃機燃油經(jīng)濟性及工 作可靠性出發(fā)，因為失圓會影響活塞環(huán)和缸套間的配合，從而增加摩擦損失，增 大了機構(gòu)的磨損和燃油消耗。在f r a n kh k e l l e y 等設計的內(nèi)燃機上，缸套失圓及 磨損達到最小是其設計目標；f r e d e r i c kr o ys t e p h e n s 等設計了一種氣缸墊，其 目標是使氣缸套在預緊螺栓的作用下能夠不發(fā)生變形1 2 1v vb a k h v a l o v a 計算了 在變形缸套中活塞的有效工作面積1 3 j 。這些工作都是圍繞著內(nèi)燃機工作效率及其 強度開展的。 由于環(huán)境的日益惡化，排放法規(guī)的日趨嚴格，人們開始將目光投向內(nèi)燃機的 排放問題。隨著小型化、輕量化及高功率密度內(nèi)燃機的出現(xiàn)，缸套失圓更加明顯， 并極大的影響到內(nèi)燃機的工作性能，其中就包括對機油消耗的影響【4 j 。而機油消 耗又直接影響到車用柴油機p m 排放的水平。因此，研究柴油機氣缸套失圓機理， 對提高內(nèi)燃機性能有著重要意義。 表1 1 柴油機尾氣控制 控制類型 控制技術(shù) 燃油改質(zhì) 燃燒 排氣后處理 降低含硫量、摻燒消煙劑 燃燒室設計、高壓噴射、進排氣改進 加裝氧化催化轉(zhuǎn)化器、顆粒捕集器及再生技術(shù) 第一章緒論 與汽油機相比，車用柴油機排放污染的特點是c o 、h c 排放較低，n o x 排 放處于同一數(shù)量級，而p m 排放較高。為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)，必須降低 柴油機尾氣中p m 含量。目前降低p m 含量主要有表1 1 所示幾種方法。 表1 1 中所述控制技術(shù)的應用可以在一定程度上降低尾氣中p m 含量，但是 僅僅采用這些方法并不能從根本上解決問題。同時還要看到，這些控制方法還各 自存在缺點，如，加裝氧化催化轉(zhuǎn)化器需要在較高的排氣溫度下才能發(fā)揮作用； 顆粒捕集器及再生技術(shù)則會提高排氣背壓，從而影響燃燒過程，并且含硫量過高 會影響d o c 、d p f 等后處理技術(shù)的實刪5 1 。而尾氣中p m 含量有很大一部分是 因機油消耗而引起的。因此為了從根本上降低尾氣中p m 的含量，就必須清楚機 油耗對尾氣中p m 含量的貢獻，以及機油耗與氣缸套失圓間的關系。 1 1 1 機油消耗對p m 排放的影響 柴油機p m 是由于燃燒時，燃料與空氣混合不均勻，造成局部過濃，在高溫 缺氧情況下產(chǎn)生并排出。柴油機尾氣中p m 含量比汽油機尾氣中p m 含量高3 0 8 0 倍，不同運行工況和機油特性在不同柴油機上，機油消耗對尾氣中微粒的貢獻各 不相同【6 】。在柴油內(nèi)燃機中，機油消耗之所以能增加p m 排放，是由于進入燃燒 室內(nèi)的機油也參與燃燒。由于機油粘度大，揮發(fā)性低，難以霧化進行充分燃燒， 從而有相當一部分直接轉(zhuǎn)變成油煙，使油煙排放增多。d a v i dl h i l d e n 對5 輛汽 車測試表明，p m 總量的7 1 4 來自機油消耗，其p m 成分分析結(jié)果如圖卜l 【7 j 。 研究證實，由機油生成的p m 排放速率與機油消耗速率成正比捧j 。 不可 機物 機鹽 圖1 1 柴油機p m 成分 在圖1 1 所示的p m 組成中，除了未燃燒完全而生成的非油溶物碳煙粒子外， 還含有相當一部分未燃可溶有機物( s o f ) 粘附于碳煙粒子表面上。在整個p m 第一章緒論 中，s o f 在質(zhì)量上僅次于碳煙粒子?，F(xiàn)代柴油機燃燒技術(shù)得到很大提高，由柴油 生成的s o f 大幅度減少，而機油則成為一個主要來源。機油對s o f 生成數(shù)量有 著顯著的影響1 8 j ，由機油產(chǎn)生的比例高達6 0 7 0 ，是s o f 生成的主要原因1 9 。 在一些工況下，未燃機油生成s o f 占p m 的7 0 以上。在高負荷工作條件下， 由于工作溫度高，潤滑油能充分燃燒；但在輕負荷及中負荷條件下，由于工作溫 度較低，潤滑油難以燃燒完全，從而在該工況下使s o f 排放大大增加。 因此，為了降低尾氣中p m 含量必須降低由機油消耗。只有在降低了機油的 消耗，減少進入燃燒室參與燃燒的機油量的前提下，通過采用機內(nèi)凈化和廢氣后 處理等技術(shù)才能從根本上解決尾氣中p m 含量過高的問題。 1 1 2 缸套失圓對機油消耗的影響 h i d e s h ih i t o s u g i t o 指出缸套失圓會產(chǎn)生許多問題，特別是增加機油消耗 ( l o c ) 。在一個缸套中，能夠允許的缸套最大和最小直徑之差是活塞環(huán)和缸套 間油膜厚度的l o 到1 0 0 倍，過大失圓度將影響活塞的裝配，增加機油耗i l 。 h i d e s h ih i t o s u g i 在文章中指明，由于缸套失圓，機油通過活塞環(huán)和缸套間的間隙， 在垂直的往復運動過程中滲透至燃燒室，從而增加機油消耗。文章證明，在靜變 形狀態(tài)下，活塞環(huán)的貼合性變差，導致機油消耗增加；較高階數(shù)的缸套失圓會致 使油膜厚度增大，這樣在很小的缸套失圓量條件下也會使機油產(chǎn)生較高的消耗 量，如圖2 。過度的缸套失圓( o o r ) 會影響活塞環(huán)的密封功能以及耐久性，從 而會對機油耗產(chǎn)生影響。 公 鼉 專 一 逞 咖j 耀 黎 曩 窶 糊艄潮 ，、 2 q c 、 e 嘲 驥 狐 瞑 賽 內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速r ，m i n 內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速，r ，m i n ( 1 ) 4 階變形量2 0 0 m ：( 2 ) 3 階變形量3 0 1 a m ：( 3 ) 2 階變形量3 0 1 a m ( 4 ) 理想圓形 圖1 - 2 氣缸套失圓與機油消耗的關系 m a s a t o s h ib a s a k i 1 2 1 研究了內(nèi)燃機高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，活塞環(huán)特性和機油耗的關 系。文章證明，活塞環(huán)和變形缸套會在高轉(zhuǎn)速區(qū)域的向下沖程時產(chǎn)生分離，這就 不可避免的增加了機油的揮發(fā)，燃氣的竄漏，使活塞環(huán)刮油非常不充分，從而影 第一章緒論 響機油過量消耗以及其氧化變質(zhì)。s c h n e i d e r ，e w 【1 3 1 文章指出，活塞環(huán)具有貼合 性。但是，在缸套失圓量較大的情況下，活塞環(huán)將無法在所有部位進行貼合，并 因此無法對缸套進行“輕緊”的密封。這種密封的裂口會帶來機油耗的增加以 及滲漏等問題。文章給出了三種水平下的缸套失圓對機油耗的影響分析。 1 1 3 缸套失圓對其它方面的影響 除了上文指出的缸套失圓會增加機油耗、影響排放，缸套失圓還有其他方面 的影響，如增加非正常磨損、引起竄氣。內(nèi)燃機指示功率因摩擦會損失其 1 0 3 0 ，活塞組的摩擦損失占其中的4 0 6 0 。而缸套失圓會影響活塞環(huán)組 的特性，從而增加摩擦損失，影響內(nèi)燃機的燃油經(jīng)濟性【l4 1 。同時缸套失圓會引起 敲缸，增加活塞的拍擊噪聲。a v l 文章指出，氣缸和活塞的間隙與竄氣量呈下 圖所示關系1 2 卯。而缸套失圓無疑會增大氣缸和活塞的間隙，因而會增大竄氣量。 7 丑 * 冬5 置 幫3 徭 1 00 51 01 52 0 ( 1 ) 1 0 0 0r m i n ( 2 ) 2 0 0 0r l n ( 3 ) 5 0 0 0r m i “ 圖1 - 3 活塞、氣缸的間隙與竄氣量的關系 1 2 缸套失圓的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 缸套失圓形式的數(shù)學表達和圖形表示 早期的缸套失圓問題是使用解析法進行研究的。p r e s c o t 、t i m o s h e n k o 和 e n g l i s c h 對此作了大量工作1 5 ，16 1 。缸套失圓可以用傅立葉級數(shù)來描述。g i n t s b u r g 在分析s p l i t l e s s 活塞環(huán)時，通過傅立葉級數(shù)對缸套失圓進行了估計。 假設考( 妒) 為變形缸套的外形，其中表示極坐標角度，那么考( ) 可近似表達 為如下形式： ， 上 告( 妒) + a kc o s ( 尼( 妒+ 甌) ) ( 1 - 1 ) k = l 其中k 為變形階數(shù)，西為相位角。 4 第一章緒論 類似的，a f f e n z e l l e r 1 7 】也將缸套失圓描述為類似形式： r ( 驢) = ( 4c o s # + b , s i n # ) 0 - 2 ) t = 0 k l a u sl o e n n e l l8 】用觸來描述缸套的 a r = 4 + 4c o s p + 4c o s 2 妒+ + 4c o s k p + 盡s i n p + 及s i n 2 9 + + 墨s i n 劬 吼+ 等c o s ( 嗍) + 爭c o s 2 ( 帆) + + 等c o s 妒夠) ( 1 - 3 ) 其中，= 廂夠= 咖等 上述公示的圖形表示如下： o 階膨脹失圓l 階偏心失圓2 階橢圓失圓 3 階三角失圓4 階四葉變形 囪囪囫圇畫 1 2 2 缸套失圓的影響因素 圖1 - 4 缸套失圓形式 根據(jù)變形出現(xiàn)的條件，可以將變形分為兩種情況，即靜態(tài)變形和動態(tài)變形。 所謂靜態(tài)變形是指內(nèi)燃機在非工作狀態(tài)即可觀察測量到的失圓；動態(tài)變形是指缸 套在內(nèi)燃機工作過程中產(chǎn)生的失圓現(xiàn)象。上圖中，0 階、l 階、4 階變形為靜態(tài) 變形，2 、3 階及更高階數(shù)的缸套失圓為動態(tài)變形。 首先分析缸套靜態(tài)變形的影響因素。因為缸套是在一定制造加工精度范圍內(nèi) 制造的，所以制造公差會首先影響到缸套的圓度。上圖所示的0 階變形和l 階變 形就是因制造公差和裝配公差引起的整體尺寸和位置上的變化【l9 i 。 內(nèi)燃機的裝配也會造成缸套失圓。不同的螺栓預緊力、螺栓孔位置和螺栓的 尺寸及材料特性，不同形式的氣缸襯墊的選擇，都會對造成不同程度的缸套失圓， 主要是影響缸套的四階變形。缸套螺栓預緊力造成了缸套的四階變形，并能夠測 量出來【1 9 , 2 0 ；在缸蓋和缸套較低部位的支撐間的預緊力導致了缸套內(nèi)表面的外向 變形【z i j ；不同的螺栓長度會影響螺栓預緊力的分布，并因此影響缸套四階變形， 如下圖所示【2 2 1 。通過比較下圖中不同長度螺栓對缸套失圓的影響會發(fā)現(xiàn)，較長的 預緊螺栓對缸套失圓影響較小，這是因為相對較長的螺栓能夠較均勻的分布預緊 力。文章還指出，內(nèi)燃機機體傾向于使用低密度的材料。對于高強度的材料的機 體，低強度材料機體的4 階變形量會增加，這主要因為其較低的楊氏模量和較高 第一章緒論 的熱膨脹系數(shù)如圖5 和圖6 。 圍15 不同螺栓長度對4 階變形的影響圖1 _ 6 不同機體材料對變形的影響 除去上述原因，研究者還發(fā)現(xiàn)氣缸襯墊的裝配對缸套失圓同樣也有影響。 f r a n zk o c h 等比鞍了復合氣缸墊和m l s 氣缸墊，發(fā)現(xiàn)復合氣缸墊由于較弱的強 度會產(chǎn)生較高的缸套失圓水，嚴“。山田研究發(fā)現(xiàn)，不同材質(zhì)不同結(jié)構(gòu)的兩種類型 的密封墊對氣缸套失圓有著不同影響。試驗使用了層疊式鋼片密封墊和金屬骨架 ( 軟鋼板) 纖維密封墊。根據(jù)結(jié)果可知，使用層疊式密封墊片的氣缸套失圓相對 較小。這是因為金屬骨架纖維密封墊片屬于軟質(zhì)材料，在裝配時，高比壓條件下 螺栓附近部位易被壓縮，從而引起機體上浮，造成缸套失圓口。 、一l l 廠一，：，n ：，h 4 1 = - - j 。 7 ii 、，5 ：蕓i | 一 m ；i 2 ” ”距機m 毒：。1 圈1 - 7 水套設計對缸套失圓的影響 對于動態(tài)變形，即對于2 階和3 階的缸套失圓，主要是缸體和缸蓋受熱膨脹， 膨脹系數(shù)不同因而產(chǎn)生不同變形以及缸內(nèi)氣體壓力、內(nèi)燃機工作狀態(tài)下的溫度梯 度等因素造成的。其中熱負荷是缸套失圓的主要因素，直接導致2 階變形。在 缸套特殊區(qū)域，如果冷卻不充分或者過分冷卻，會在周向和軸向造成不同程度的 膨脹，從而導致缸套失圓”。而且冷卻水套的深度也會因為其影響到缸體的強度 而影響缸套的變形，如圖1 - 7 1 圳。膨脹引起的缸套失圓量遠大于螺栓預緊力引起 的變形量h ”】。 總體說來，缸套失圊是靜態(tài)變形和動態(tài)變形的練臺結(jié)果，是各種固素共尉作 第一章緒論 用的結(jié)果。這些因素相互影響相互作用 形的主要因素各不相同。在這些因素中 共同導致了缸套的失圓，但不同形式變 缸蓋螺栓的預緊力以及缸蓋襯墊特性是 缸套4 階變形的主要影響因素，同時還影響到其它階次的缸套失圓；而熱負荷以 及氣體壓力、活塞側(cè)擊力和活塞環(huán)的摩擦作用是缸套2 階3 階變形的主要影響因 素。同時內(nèi)燃機的運行狀態(tài)對缸套的變形也有很大影響。從圖l 一8 可以看出， 2 階變形在一定程度受預緊力影響，對于轉(zhuǎn)速和負荷都很敏感，隨著轉(zhuǎn)速和負荷 的增大而增大，但在中高速時隨著轉(zhuǎn)速的變化缸套失圓變化不大；3 階變形隨著 平均溫度增加而增大：4 階變形在冷機且施加預緊力狀態(tài)下就幾乎達到穩(wěn)定值， 隨著轉(zhuǎn)速和負荷增大的變化很小。 e 目 月 g * e 1 2 3 缸套失圓測量 對于缸套的靜態(tài)變形，德國g o e t z e a g 公司在】9 7 0 年發(fā)明了i n c o m e t e r 測 試系統(tǒng)，并于1 9 7 3 推出應用。該系統(tǒng)可以通過分析測量數(shù)據(jù)，獲得導致變形的 因素。分別測量未加螺栓預緊力和施加蠕栓預緊力情況時的缸蓋變形，并用后者 測得數(shù)值減掉前者數(shù)值，最終得到預緊螺栓導致的缸套失圓。r i c h a r db h a t h a w a y 等利用激光全息法在非接觸狀態(tài)下，通過模擬各種載荷，如在機體冷 卻水套內(nèi)產(chǎn)生真空度來模擬缸內(nèi)氣體壓力、在冷卻水套內(nèi)通入不同溫度的熱水模 擬機體的溫度分布，測量缸蓋變形】2 。g x z h a n g 給出了利用四個傳感器測量工 作平面失圓和心軸偏移的方法 2 7 1 。上述方法適用于內(nèi)燃機非工作狀態(tài)。對于工作 狀態(tài)的內(nèi)燃機，要想獲得其缸套失圓數(shù)據(jù)是無法使用上述方法的。 為了獲得工作條件下缸套失圓資料，些研究 員設計了獨特的裝置米選到 此目的。f u j i m o t o 文章將傳感器布置在第一道活塞環(huán)環(huán)岸內(nèi)并利用齒輪傳動機 第一章緒論 構(gòu)，以極低的速度將傳感器沿圓周轉(zhuǎn)動，連續(xù)測量傳感器和缸套壁面間的間隙， 成功的測量了5 0 0 0 r p m 、全負荷狀態(tài)下的缸套失圓1 4 1 。f r a n zk o c h 分別在兩臺內(nèi) 燃機上沿活塞周向間隔4 5 度布置8 個傳感器。傳感器放置在膨脹率很低的恒范 鋼內(nèi)，并只與活塞中心相型2 2 1 。l a w r e n c ee b i r d 在文章中利用1 0 個均布在第一 道活塞環(huán)位置上的電渦流傳感器測量缸套的變形，進一步證明了f u j i m o t o 關于 氣體壓力對缸套失圓影響很小的結(jié)論【2 。 1 2 4 缸套失圓的模擬計算 s h i z u oa b e 給出了缸套失圓的有限元計算模型1 2 8 1 。這個模型可以模擬氣缸蓋 的在機體上摩擦滑移作用。首先建立了l 缸和2 缸的一半的有限元模型，包括缸 蓋、缸蓋襯墊、預緊螺栓、機體。其中缸蓋和機體應用了實體單元；缸蓋襯墊應 用非線性的彈簧和摩擦單元；螺栓應用了梁單元。通過試驗獲得了缸蓋襯墊的特 性曲線；溫度分布通過有限元軟件獲得，并作了如下假設：有均一的傳熱效率和 冷卻溫度，在缸套周向有相同的熱流量，機油和空氣又相同的對流換熱效率，沒 有熱量經(jīng)機體表面流失。計算結(jié)果表明，熱負荷對缸套失圓有最大的影響；燃燒 室氣體壓力對變形影響較小，但又增加2 階變形減小4 階變形的趨勢；對比 f u j i m o t o 測量結(jié)果，證明了有限元計算結(jié)果比傳統(tǒng)的計算方法更精確。f r a n zk o c h 建立了整個內(nèi)燃機的有限有模型，包括機體，氣缸蓋、氣缸襯墊、主要的支撐肋 板等。對于溫度分布，應用基于w o s c h n ia n dh o h e n b e r g 方程的模擬燃燒程序， 計算活塞熱負荷、平均氣體溫度和氣體到缸套的傳熱效率( h t c ) ；機體水套的 邊界條件通過c f d 分析獲得。對于氣缸墊，通過測試量獲得氣缸墊特性，并在 氣缸墊兩側(cè)應用了包括摩擦力的3 d 接觸單元。通過比較計算結(jié)果和試驗結(jié)果， 證明了計算模型建立的合理性【2 2 | 。a l is o u a 應用a b a q u s 計算程序模擬彈性接觸 和摩擦等問題，建立了實體模型模擬大變形問題l 刪j 。 1 3 本論文的研究內(nèi)容及意義 內(nèi)燃機氣缸套的變形問題吸引了國內(nèi)外大量專家學者的關注、研究。但是由 于內(nèi)燃機氣缸套的變形是各種因素綜合影響的結(jié)果，涉及了結(jié)構(gòu)力學、材料力學、 彈性力學、傳熱學等學科，是高度非線性復雜問題，因此相關研究也非常困難。 在早期的研究中，通過設計試驗裝置來測量缸套的變形，獲得變形數(shù)據(jù)，并 通過對比試驗對影響因素進行研究分析，是這階段研究的主要內(nèi)容。由于試驗手 段的限制，試驗往往只能獲得內(nèi)燃機氣缸套在靜態(tài)條件下的變形情況，而無法獲 得缸套同時在熱負荷和機械負荷作用下的變形情況，且試驗結(jié)果的精度較低。 8 第一章緒論 隨著c a e 技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的研究者通過三維模擬計算結(jié)合試驗 分析的方式來研究缸套失圓的形式和原因。研究者可以方便的模擬出各結(jié)構(gòu)的材 料非線性和接觸非線性，模擬內(nèi)燃機在工作狀態(tài)下的受熱負荷和機械負荷的狀 況，具有研究分析的重復性好，所需成本小、時間周期短的特點，結(jié)合試驗分析， 可以得到滿意的結(jié)果。 但是，對于缸套的變形分析，國內(nèi)外的研究大多是針對某一具體機型的缸套 本身的變形情況進行分析的，并沒有得到普遍的規(guī)律性，甚至沒有驗證圖1 - 4 所 列出的變形結(jié)果，而且以往分析沒有深入考慮各影響因素對變形的貢獻量，僅僅 做了定性分析，或者簡單的定量分析。 針對上述問題，本論文利用c a e 技術(shù)的優(yōu)勢，通過建立理想的薄壁桶件模 型，重點研究缸套失圓的規(guī)律性，對各變形影響因素進行定量分析；利用薄壁桶 模型的研究結(jié)果，通過建立某公司4 1 0 0 q b 的實體及有限元模型，研究氣缸套失 圓，進一步獲得規(guī)律性的結(jié)論，從而為今后的設計提供指導性意見，因而具有非 常學術(shù)價值和工程意義。 基于上述研究目標，本論文主要工作內(nèi)容如下： 1 利用p r o l e 軟件，建立薄壁桶件和螺栓一體化的三維實體裝配模型，此 模型由缸蓋螺栓、缸蓋、機體的簡化模型，以及缸套的實際模型四個部 分組成； 2 應用h y p e r m e s h 軟件對薄壁桶件三維模型進行有限元網(wǎng)格劃分，建立三 維有限元模型； 3 利用a b a q u s 軟件對有限元模型進行邊界條件的設置，通過設置不同的邊 界條件，計算模型在不同機械符合條件下的變形情況，并進行后處理； 4 根據(jù)同樣的模擬計算流程和上述計算結(jié)果，對4 10 0 q b 柴油機進行實體 及有限元模型的建立和有限元分析，得到機械載荷下的變形的有限元結(jié) 果，并對有限元結(jié)果進行后處理； 5 利用a b a q u s 軟件對4 10 0 q b 柴油機進行熱分析，獲得其溫度分布，在此 基礎上耦合機械和熱負荷，進行熱機耦合分析，分析結(jié)果。 第二章薄壁桶件有限元建模 第二章薄壁桶件有限元建模 2 1 薄壁桶件模形建模原則 由于內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)復雜，且不同機型的結(jié)構(gòu)也不盡一樣，因此，在對某種特定 機型內(nèi)燃機進行氣缸套失圓分析時，不僅分析過程困難異常，而且得到的分析結(jié) 果具有一定的局限性。為了得到缸套失圓的普遍規(guī)律性，有必要忽略不必要的結(jié) 構(gòu)，而重點研究影響其變形的結(jié)構(gòu)。 內(nèi)燃機氣缸套承受著機械載荷和熱負荷。其中機械符合包括缸蓋預緊螺栓施 加的預緊力載荷、內(nèi)燃機工作過程中燃氣壓力載荷和氣缸套承受活塞的拍擊載 荷。由于后兩者機械載荷引起的缸套失圓主要是2 、3 階的動態(tài)變形，其變形量 與熱負荷引起的相同階次的變形量相比要小的多，因此在模擬計算中將其忽略。 而缸蓋預緊螺栓的預緊力載荷雖然引起的變形數(shù)量級不大，但其產(chǎn)生的失圓是4 階的，且是靜態(tài)變形，因此本文重點考慮在預緊力作用下的氣缸套失圓。 氣缸套在預緊力作用下之所以會發(fā)生失圓，是因為預緊力分布不均，預緊力 分別通過氣缸蓋、氣缸襯墊和機體施加在氣缸套上，從而使之產(chǎn)生變形。因此， 薄壁桶模型的建模原則是在能夠真實模擬預緊力的基礎上，建立簡化的氣缸蓋、 氣缸襯墊和機體模型，和4 1 0 0 q b 的氣缸套實體模型。為了模擬缸蓋螺栓預緊力， 本文將建立一種螺栓模型，使之能夠較好的模擬螺紋間的接觸，從而模擬螺栓預 緊力。 總之，經(jīng)過綜合考慮，在上述建模的原則指導下，本章將建立理想簡化的薄 壁桶件模型，為后續(xù)的分析做準備。 2 2 有限元建模及分析軟件介紹 有限元網(wǎng)格模型的生成方式基本上分為兩種類型：不基于幾何模型直接建立 節(jié)點、單元類型和基于幾何模型自動生成節(jié)點、單元類型。前者適用于模型相對 簡單或采用的軟件功能有限的情況下采用。早期的有限元模型皆使用這種方式手 工建立。對于復雜結(jié)構(gòu)來說，通過這種方式建立的有限元模型和實際結(jié)構(gòu)形狀相 差較大，獲得結(jié)果的準確性不高。如在計算模態(tài)分析時由于結(jié)構(gòu)的過度簡化，可 能導致結(jié)果偏差較大而失去分析的意義：在強度分析時復雜結(jié)構(gòu)的應力集中部位 第二章薄壁桶件有限元建模 無法實現(xiàn)真實的模擬。 近些年來，有限元前處理技術(shù)進展的一個突出特點是c a d 幾何造型( 特別 是三維幾何造型) 技術(shù)的引入。以幾何模型為載體，可以自動生成相應的有限元 網(wǎng)格模型。另外，基于幾何模型的網(wǎng)格生成，可以通過指定不同區(qū)域的單元大小， 使網(wǎng)格密度更加合理。對于復雜結(jié)構(gòu)強度分析中應力集中部位模擬失真的現(xiàn)象， 可以通過加大應力集中部位的網(wǎng)格密度來很好地解決。 為了在短時間內(nèi)獲得較準確的三維模型，本文選取在p r o e n g i n e e r 軟件中建 立三維模型，在h y p e r m e s h 軟件中進行網(wǎng)格的選擇和劃分，充分發(fā)揮c a e 技術(shù) 優(yōu)勢，最大化提高了分析效率，并有如下優(yōu)點： 1 造型方便，可以比較直觀的控制各復雜部位的形狀。 2 有利于各部件的修改。通過改變某個零件，就可達到改變整個模型的效 果。 另外，通過復制命令，可以減少不必要的工作量，節(jié)省建模時間另外，c a d 系統(tǒng)具有強大的三維幾何建模功能并對設計的后續(xù)工作有很好的支持，如可以自 動產(chǎn)生精確的二維工程圖等。故本文采用基于幾何模型建立節(jié)點、單元模型的方 式，建立薄壁結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。 基于幾何模型的三維有限元模型的建立過程分為以下幾個步驟：三維幾何模 型的建立、單元類型的選擇和有限元網(wǎng)格劃分。 2 2 1p r o e n g i n e e r 軟件的介紹3 1 】 p r o e 是美國參數(shù)科技公司( p t c ) 推出的新一代c a d c a e c a m 軟件。其 總體設計思想體現(xiàn)了m d a ( m e c h a n i c a ld e s i g na u t o m a t i o n ) 軟件的最新發(fā)展方 向，f t c 也因此成為全球c a d c a i d c a m c a e p d a 月l a 領域最具代表性的 著名軟件公司。它所體現(xiàn)出來的基于特征、參數(shù)化、單一數(shù)據(jù)庫、全相關及工程 數(shù)據(jù)庫再利用等概念成為m d a 領域的新業(yè)界標準。它能將設計乃至生產(chǎn)的全過 程集合在一起讓所有的用戶同時對同一產(chǎn)品開展設計工作，并很好地支持并行工 程。由于其強大的功能，自推出以來，迅速成為當今世界最為流行的c a d 軟件 之一。深受廣大用戶的歡迎。 p r o e 系統(tǒng)的核心技術(shù)特點是： 1 基于特征：將某些具有代表性的平面幾何形狀定義為特征，并將其所有尺 寸存為可變參數(shù)，而形成實體，以此為基礎來進行更為復雜的幾何形體 的構(gòu)建。構(gòu)造實體的基本單元是特征。實體由多個特征組合而成。造型 過程就是不斷增加特征，達到最終產(chǎn)品希望的模型。一個完整的模型往 第二章薄壁桶件有限元建模 往是由許多特征組合而成。在構(gòu)造過程中或構(gòu)造完成后，可對特征進行 操作。如修改、重定義、重排序、重定關系、插入等操作： 2 參數(shù)化：這是p r o e n g i n e e r 的另一特色。由于采用參數(shù)化設計，實體 造型較快，造型功能較強。它將形狀和尺寸結(jié)合起來考慮，通過尺寸約 束實現(xiàn)對幾何形狀的控制。用戶在草繪特征時，只需按自己的意圖任意 構(gòu)造幾何形狀，再按實際需要修改尺寸即可。造型必須以完整的尺寸參 數(shù)為出發(fā)點( 全約束) ，不能漏標尺寸( 欠約束) ，不能多標尺寸( 過約 束) 。通過編輯尺寸數(shù)值來驅(qū)動幾何形狀的改變。由于采用了參數(shù)化，某 個特征的修改會使相關聯(lián)的特征自動變更，可隨時保證設計意圖； 3 全數(shù)據(jù)相關：其所有模塊的信息是全相關的。因為它采用單一數(shù)據(jù)庫， 所有的工程文檔都采用同一個模型的數(shù)據(jù)。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程 中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工 作，不管他是哪一個部門的。在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦 可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過 程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的 工程文當。包括裝配體、設計圖紙制造數(shù)據(jù)。全相關性鼓勵在開發(fā)周期 的任點進行修改，且沒有任何損失，使并行工程c e ( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ) 成為可能。采用參數(shù)化技術(shù)的好處在于它徹底改變了自由 建模的無約束狀態(tài)，幾何形狀均以尺寸的形式而被有效控制。尺寸驅(qū)動 已經(jīng)成為當今造型系統(tǒng)的基本功能。 2 2 2a l t a i rh y p e r m e s h 軟件的介紹3 2 l h y p e r m e s h 軟件是美國a l t a i r 公司的產(chǎn)品，是世界領先的、功能強大的c a e 應用軟件包，也是一個創(chuàng)新、開放的企業(yè)級c a e 平臺，它集成了設計與分析所 需的各種工具，具有無與倫比的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界 面。在c a e 領域，h y p e r m e s h 最著名的特點是它所具有的強大的有限元網(wǎng)格前處 理功能和后處理功能。一般來說，c a e 分析工程師8 0 的時間都花費在了有限 元模型的建立和修改上，而真正的分析求解時間是消耗在計算機工組站上的，所 以采用一個功能強大，使用方便靈活，并能夠與眾多c a d 系統(tǒng)和有限元求解器 進行方便的數(shù)據(jù)交換的有限元前后處理工具，對于提高有限元分析工作的質(zhì)量和 效率具有十分重要的意義。 h y p e r m e s h 是個高性能的有限元前后處理器，它能讓c a e 分析工程師在 高度交互及可視化的環(huán)境下進行仿真分析工作。與其他的有限元前后處理器比 第二章薄壁桶件有限元建模 較，h y p e r m e s h 的圖形用戶界面易于學習，特別是它支持直接輸入已有的三維 c a d 幾何模型( u g ，p r o e ，c a t i a 等) 已有的有限元模型，并且導入的效率 和模型質(zhì)量都很高，可以大大減少很多重復性的工作，使得c a e 分析工程師能 夠投入更多的精力和時間到分析計算工作上去。同樣，h y p e r m e s h 也具有先進的 后處理功能，可以保證形象地表現(xiàn)各種各樣的復雜的仿真結(jié)果，如云圖，曲線標 和動畫等。 在處理幾何模型和有限元網(wǎng)格的效率和質(zhì)量方面，h y p e r m e s h 具有很好的速 度，適應性和可定制性，并且模型規(guī)模沒有軟件限制。其他很多有限元前處理軟 件對于一些復雜的，大規(guī)模的模型在讀取數(shù)據(jù)時候，需要很長時間，而且很多情 況下并不能夠成功導入模型，這樣后續(xù)的c a e 分析工作就無法進行；而如果采 用h y p e r m e s h ，其強大的幾何處理能力使得h y p e r m e s h 可以很快的讀取那些結(jié)構(gòu) 非常復雜，規(guī)模非常大的模型數(shù)據(jù)，從而大大提高了c a e 分析工程師的工作效 率，也使得很多應用其他前后處理軟件很難或者不能解決的問題變得迎刃而解。 h y p e r m e s h 軟件的特點： 1 通過高性能的有限元建模和后處理大大縮短工程分析的周期； 2 直觀的圖形用戶界面和先進的特性減少學習的時間并提高效率； 3 直接輸入c a