（动力机械及工程专业论文）基于有限单元法的柴油机气缸套失圆研究.pdf

基于有限单元法的柴油机气缸套失圆研究 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 学科专业：动力机械及工程 研究生：户登飞 指导教师：舒歌群教授 天津大学机械工程学院 二零零八年六月 摘要 伴随着现代发动机向轻量化、高速化和高功率密度化发展，作为发动机的核 心部件，气缸套在工作中承受着越来越高的热负荷、气动载荷和机械负荷，不可 避免地出现缸套失圆现象。在发动机工作过程中，缸套的失圆直接影响到气缸套 与活塞环间的间隙以及缸套与缸盖间的密闭性，从而导致机油消耗增加、产生窜 漏、增加磨损和燃油消耗。为了达到将来的排放法规要求和提高燃油经济性，研 究气缸套失圆问题是十分必要的，因而具有重要意义。 气缸套失圆问题的复杂性和发动机结构特性决定了使用解析的理论分析方 法和试验研究方法研究该问题存在一定的局限性。随着c a e 技术的不断发展， 三维仿真技术越来越成熟，利用有限元法模拟计算气缸套失圆成为可能。本论文 利用c a e 技术的优势，重点研究预紧力作用下和热一机耦合状态下的气缸套失圆 问题。 参照4 1 0 0 q b 柴油机机体模型，本文建立理想的薄壁桶模型和螺栓一体化模 型，以研究预紧力合理的施加方式。结果表明，通过建立接触对来施加预紧力的 方法是合理的，能达到计算精度要求。 通过设置不同预紧力水平、材料属性、预紧螺栓长度和螺纹孔第一螺纹位置， 研究薄壁桶件模型在不同状况下的缸套失圆，重点研究缸套失圆的规律性，对各 变形影响因素进行定量分析。结果表明，气缸套在预紧力作用下整体呈现规律的 四阶失圆，上部失圆度最大，下部失圆度较小；预紧力对失圆的贡献最大，随着 预紧力的增大，气缸套失圆度增大；气缸套和气缸衬垫的刚度都直接和间接地影 响到缸套的失圆度，较大的刚度可以降低缸套的失圆度；螺栓长度增加能够更平 均地分配预紧力，从而对气缸套失圆有一定影响；螺栓孔第一螺纹位置的降低可 以减小气缸套的失圆。 利用薄壁桶模型的研究结果，通过建立某公司4 1 0 0 q b 柴油机的实体及有限 元模型，分析组合体的温度分布，并研究该机在预紧力作用下和热机耦合作用 下的气缸套失圆。结果表明，热一机耦合作用下的失圆度远大于预紧力工况下的 失圆度，且整体呈二阶椭圆失圆。 关键词：气缸套失圆预紧力有限单元法柴油机 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 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 弋9 ， 签字日期：歹卵艿年占月己日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一躲黟 签字日期：砖g 月 日 导师签名： ( 民川 签字日期：w 年6 月f6 日 n 少 ，一) 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自问世以来，内燃机在各行业各领域内扮演着重要的角色，发挥着重要作用。 内燃机凭借其出色的表现在国民经济建设和国防工程上得到了广泛的应用。随着 能源问题的日益严峻，以及技术的进步和竞争加剧，内燃机不断向高强度、轻量 化方向发展，以期获得更优的动力性、经济性，这样不可避免的导致了内燃机工 作环境的恶化。 作为内燃机的核心部件，气缸套承受着燃烧气体产生的热负荷和各种机械负 荷，其运行可靠性在很大程度上影响着内燃机的使用寿命，并直接影响内燃机的 工作性能。而气缸套失圆是内燃机工作过程中不可避免的现象，很早就被内燃机 工作者注意并研究。在设计内燃机时，缸套失圆是必须考虑的问题，许多内燃机 工作者为之做了大量工作。最初，人们考虑缸套失圆是从内燃机燃油经济性及工 作可靠性出发，因为失圆会影响活塞环和缸套间的配合，从而增加摩擦损失，增 大了机构的磨损和燃油消耗。在f r a n kh k e l l e y 等设计的内燃机上，缸套失圆及 磨损达到最小是其设计目标；f r e d e r i c kr o ys t e p h e n s 等设计了一种气缸垫，其 目标是使气缸套在预紧螺栓的作用下能够不发生变形1 2 1v vb a k h v a l o v a 计算了 在变形缸套中活塞的有效工作面积1 3 j 。这些工作都是围绕着内燃机工作效率及其 强度开展的。 由于环境的日益恶化，排放法规的日趋严格，人们开始将目光投向内燃机的 排放问题。随着小型化、轻量化及高功率密度内燃机的出现，缸套失圆更加明显， 并极大的影响到内燃机的工作性能，其中就包括对机油消耗的影响【4 j 。而机油消 耗又直接影响到车用柴油机p m 排放的水平。因此，研究柴油机气缸套失圆机理， 对提高内燃机性能有着重要意义。 表1 1 柴油机尾气控制 控制类型 控制技术 燃油改质 燃烧 排气后处理 降低含硫量、掺烧消烟剂 燃烧室设计、高压喷射、进排气改进 加装氧化催化转化器、颗粒捕集器及再生技术 第一章绪论 与汽油机相比，车用柴油机排放污染的特点是c o 、h c 排放较低，n o x 排 放处于同一数量级，而p m 排放较高。为了满足日益严格的排放法规，必须降低 柴油机尾气中p m 含量。目前降低p m 含量主要有表1 1 所示几种方法。 表1 1 中所述控制技术的应用可以在一定程度上降低尾气中p m 含量，但是 仅仅采用这些方法并不能从根本上解决问题。同时还要看到，这些控制方法还各 自存在缺点，如，加装氧化催化转化器需要在较高的排气温度下才能发挥作用； 颗粒捕集器及再生技术则会提高排气背压，从而影响燃烧过程，并且含硫量过高 会影响d o c 、d p f 等后处理技术的实删5 1 。而尾气中p m 含量有很大一部分是 因机油消耗而引起的。因此为了从根本上降低尾气中p m 的含量，就必须清楚机 油耗对尾气中p m 含量的贡献，以及机油耗与气缸套失圆间的关系。 1 1 1 机油消耗对p m 排放的影响 柴油机p m 是由于燃烧时，燃料与空气混合不均匀，造成局部过浓，在高温 缺氧情况下产生并排出。柴油机尾气中p m 含量比汽油机尾气中p m 含量高3 0 8 0 倍，不同运行工况和机油特性在不同柴油机上，机油消耗对尾气中微粒的贡献各 不相同【6 】。在柴油内燃机中，机油消耗之所以能增加p m 排放，是由于进入燃烧 室内的机油也参与燃烧。由于机油粘度大，挥发性低，难以雾化进行充分燃烧， 从而有相当一部分直接转变成油烟，使油烟排放增多。d a v i dl h i l d e n 对5 辆汽 车测试表明，p m 总量的7 1 4 来自机油消耗，其p m 成分分析结果如图卜l 【7 j 。 研究证实，由机油生成的p m 排放速率与机油消耗速率成正比捧j 。 不可 机物 机盐 图1 1 柴油机p m 成分 在图1 1 所示的p m 组成中，除了未燃烧完全而生成的非油溶物碳烟粒子外， 还含有相当一部分未燃可溶有机物( s o f ) 粘附于碳烟粒子表面上。在整个p m 第一章绪论 中，s o f 在质量上仅次于碳烟粒子。现代柴油机燃烧技术得到很大提高，由柴油 生成的s o f 大幅度减少，而机油则成为一个主要来源。机油对s o f 生成数量有 着显著的影响1 8 j ，由机油产生的比例高达6 0 7 0 ，是s o f 生成的主要原因1 9 。 在一些工况下，未燃机油生成s o f 占p m 的7 0 以上。在高负荷工作条件下， 由于工作温度高，润滑油能充分燃烧；但在轻负荷及中负荷条件下，由于工作温 度较低，润滑油难以燃烧完全，从而在该工况下使s o f 排放大大增加。 因此，为了降低尾气中p m 含量必须降低由机油消耗。只有在降低了机油的 消耗，减少进入燃烧室参与燃烧的机油量的前提下，通过采用机内净化和废气后 处理等技术才能从根本上解决尾气中p m 含量过高的问题。 1 1 2 缸套失圆对机油消耗的影响 h i d e s h ih i t o s u g i t o 指出缸套失圆会产生许多问题，特别是增加机油消耗 ( l o c ) 。在一个缸套中，能够允许的缸套最大和最小直径之差是活塞环和缸套 间油膜厚度的l o 到1 0 0 倍，过大失圆度将影响活塞的装配，增加机油耗i l 。 h i d e s h ih i t o s u g i 在文章中指明，由于缸套失圆，机油通过活塞环和缸套间的间隙， 在垂直的往复运动过程中渗透至燃烧室，从而增加机油消耗。文章证明，在静变 形状态下，活塞环的贴合性变差，导致机油消耗增加；较高阶数的缸套失圆会致 使油膜厚度增大，这样在很小的缸套失圆量条件下也会使机油产生较高的消耗 量，如图2 。过度的缸套失圆( o o r ) 会影响活塞环的密封功能以及耐久性，从 而会对机油耗产生影响。 公 鼍 专 一 逞 咖j 耀 黎 曩 窭 糊艄潮 ，、 2 q c 、 e 嘲 骥 狐 瞑 赛 内燃机转速r ，m i n 内燃机转速，r ，m i n ( 1 ) 4 阶变形量2 0 0 m ：( 2 ) 3 阶变形量3 0 1 a m ：( 3 ) 2 阶变形量3 0 1 a m ( 4 ) 理想圆形 图1 - 2 气缸套失圆与机油消耗的关系 m a s a t o s h ib a s a k i 1 2 1 研究了内燃机高速运转状态下，活塞环特性和机油耗的关 系。文章证明，活塞环和变形缸套会在高转速区域的向下冲程时产生分离，这就 不可避免的增加了机油的挥发，燃气的窜漏，使活塞环刮油非常不充分，从而影 第一章绪论 响机油过量消耗以及其氧化变质。s c h n e i d e r ，e w 【1 3 1 文章指出，活塞环具有贴合 性。但是，在缸套失圆量较大的情况下，活塞环将无法在所有部位进行贴合，并 因此无法对缸套进行“轻紧”的密封。这种密封的裂口会带来机油耗的增加以 及渗漏等问题。文章给出了三种水平下的缸套失圆对机油耗的影响分析。 1 1 3 缸套失圆对其它方面的影响 除了上文指出的缸套失圆会增加机油耗、影响排放，缸套失圆还有其他方面 的影响，如增加非正常磨损、引起窜气。内燃机指示功率因摩擦会损失其 1 0 3 0 ，活塞组的摩擦损失占其中的4 0 6 0 。而缸套失圆会影响活塞环组 的特性，从而增加摩擦损失，影响内燃机的燃油经济性【l4 1 。同时缸套失圆会引起 敲缸，增加活塞的拍击噪声。a v l 文章指出，气缸和活塞的间隙与窜气量呈下 图所示关系1 2 卯。而缸套失圆无疑会增大气缸和活塞的间隙，因而会增大窜气量。 7 丑 * 冬5 置 帮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 “ 图1 - 3 活塞、气缸的间隙与窜气量的关系 1 2 缸套失圆的国内外研究现状 1 2 1 缸套失圆形式的数学表达和图形表示 早期的缸套失圆问题是使用解析法进行研究的。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 对此作了大量工作1 5 ，16 1 。缸套失圆可以用傅立叶级数来描述。g i n t s b u r g 在分析s p l i t l e s s 活塞环时，通过傅立叶级数对缸套失圆进行了估计。 假设考( 妒) 为变形缸套的外形，其中表示极坐标角度，那么考( ) 可近似表达 为如下形式： ， 上 告( 妒) + a kc o s ( 尼( 妒+ 瓯) ) ( 1 - 1 ) k = l 其中k 为变形阶数，西为相位角。 4 第一章绪论 类似的，a f f e n z e l l e r 1 7 】也将缸套失圆描述为类似形式： r ( 驴) = ( 4c o s # + b , s i n # ) 0 - 2 ) t = 0 k l a u sl o e n n e l l8 】用触来描述缸套的 a r = 4 + 4c o s p + 4c o s 2 妒+ + 4c o s k p + 尽s i n p + 及s i n 2 9 + + 墨s i n 劬 吼+ 等c o s ( 嗍) + 争c o s 2 ( 帆) + + 等c o s 妒够) ( 1 - 3 ) 其中，= 厢够= 咖等 上述公示的图形表示如下： o 阶膨胀失圆l 阶偏心失圆2 阶椭圆失圆 3 阶三角失圆4 阶四叶变形 囱囱囫囵画 1 2 2 缸套失圆的影响因素 图1 - 4 缸套失圆形式 根据变形出现的条件，可以将变形分为两种情况，即静态变形和动态变形。 所谓静态变形是指内燃机在非工作状态即可观察测量到的失圆；动态变形是指缸 套在内燃机工作过程中产生的失圆现象。上图中，0 阶、l 阶、4 阶变形为静态 变形，2 、3 阶及更高阶数的缸套失圆为动态变形。 首先分析缸套静态变形的影响因素。因为缸套是在一定制造加工精度范围内 制造的，所以制造公差会首先影响到缸套的圆度。上图所示的0 阶变形和l 阶变 形就是因制造公差和装配公差引起的整体尺寸和位置上的变化【l9 i 。 内燃机的装配也会造成缸套失圆。不同的螺栓预紧力、螺栓孔位置和螺栓的 尺寸及材料特性，不同形式的气缸衬垫的选择，都会对造成不同程度的缸套失圆， 主要是影响缸套的四阶变形。缸套螺栓预紧力造成了缸套的四阶变形，并能够测 量出来【1 9 , 2 0 ；在缸盖和缸套较低部位的支撑间的预紧力导致了缸套内表面的外向 变形【z i j ；不同的螺栓长度会影响螺栓预紧力的分布，并因此影响缸套四阶变形， 如下图所示【2 2 1 。通过比较下图中不同长度螺栓对缸套失圆的影响会发现，较长的 预紧螺栓对缸套失圆影响较小，这是因为相对较长的螺栓能够较均匀的分布预紧 力。文章还指出，内燃机机体倾向于使用低密度的材料。对于高强度的材料的机 体，低强度材料机体的4 阶变形量会增加，这主要因为其较低的杨氏模量和较高 第一章绪论 的热膨胀系数如图5 和图6 。 围15 不同螺栓长度对4 阶变形的影响图1 _ 6 不同机体材料对变形的影响 除去上述原因，研究者还发现气缸衬垫的装配对缸套失圆同样也有影响。 f r a n zk o c h 等比鞍了复合气缸垫和m l s 气缸垫，发现复合气缸垫由于较弱的强 度会产生较高的缸套失圆水，严“。山田研究发现，不同材质不同结构的两种类型 的密封垫对气缸套失圆有着不同影响。试验使用了层叠式钢片密封垫和金属骨架 ( 软钢板) 纤维密封垫。根据结果可知，使用层叠式密封垫片的气缸套失圆相对 较小。这是因为金属骨架纤维密封垫片属于软质材料，在装配时，高比压条件下 螺栓附近部位易被压缩，从而引起机体上浮，造成缸套失圆口。 、一l l 厂一，：，n ：，h 4 1 = - - j 。 7 ii 、，5 ：芸i | 一 m ；i 2 ” ”距机m 毒：。1 圈1 - 7 水套设计对缸套失圆的影响 对于动态变形，即对于2 阶和3 阶的缸套失圆，主要是缸体和缸盖受热膨胀， 膨胀系数不同因而产生不同变形以及缸内气体压力、内燃机工作状态下的温度梯 度等因素造成的。其中热负荷是缸套失圆的主要因素，直接导致2 阶变形。在 缸套特殊区域，如果冷却不充分或者过分冷却，会在周向和轴向造成不同程度的 膨胀，从而导致缸套失圆”。而且冷却水套的深度也会因为其影响到缸体的强度 而影响缸套的变形，如图1 - 7 1 圳。膨胀引起的缸套失圆量远大于螺栓预紧力引起 的变形量h ”】。 总体说来，缸套失圊是静态变形和动态变形的练台结果，是各种固素共尉作 第一章绪论 用的结果。这些因素相互影响相互作用 形的主要因素各不相同。在这些因素中 共同导致了缸套的失圆，但不同形式变 缸盖螺栓的预紧力以及缸盖衬垫特性是 缸套4 阶变形的主要影响因素，同时还影响到其它阶次的缸套失圆；而热负荷以 及气体压力、活塞侧击力和活塞环的摩擦作用是缸套2 阶3 阶变形的主要影响因 素。同时内燃机的运行状态对缸套的变形也有很大影响。从图l 一8 可以看出， 2 阶变形在一定程度受预紧力影响，对于转速和负荷都很敏感，随着转速和负荷 的增大而增大，但在中高速时随着转速的变化缸套失圆变化不大；3 阶变形随着 平均温度增加而增大：4 阶变形在冷机且施加预紧力状态下就几乎达到稳定值， 随着转速和负荷增大的变化很小。 e 目 月 g * e 1 2 3 缸套失圆测量 对于缸套的静态变形，德国g o e t z e a g 公司在】9 7 0 年发明了i n c o m e t e r 测 试系统，并于1 9 7 3 推出应用。该系统可以通过分析测量数据，获得导致变形的 因素。分别测量未加螺栓预紧力和施加蠕栓预紧力情况时的缸盖变形，并用后者 测得数值减掉前者数值，最终得到预紧螺栓导致的缸套失圆。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触状态下，通过模拟各种载荷，如在机体冷 却水套内产生真空度来模拟缸内气体压力、在冷却水套内通入不同温度的热水模 拟机体的温度分布，测量缸盖变形】2 。g x z h a n g 给出了利用四个传感器测量工 作平面失圆和心轴偏移的方法 2 7 1 。上述方法适用于内燃机非工作状态。对于工作 状态的内燃机，要想获得其缸套失圆数据是无法使用上述方法的。 为了获得工作条件下缸套失圆资料，些研究 员设计了独特的装置米选到 此目的。f u j i m o t o 文章将传感器布置在第一道活塞环环岸内并利用齿轮传动机 第一章绪论 构，以极低的速度将传感器沿圆周转动，连续测量传感器和缸套壁面间的间隙， 成功的测量了5 0 0 0 r p m 、全负荷状态下的缸套失圆1 4 1 。f r a n zk o c h 分别在两台内 燃机上沿活塞周向间隔4 5 度布置8 个传感器。传感器放置在膨胀率很低的恒范 钢内，并只与活塞中心相型2 2 1 。l a w r e n c ee b i r d 在文章中利用1 0 个均布在第一 道活塞环位置上的电涡流传感器测量缸套的变形，进一步证明了f u j i m o t o 关于 气体压力对缸套失圆影响很小的结论【2 。 1 2 4 缸套失圆的模拟计算 s h i z u oa b e 给出了缸套失圆的有限元计算模型1 2 8 1 。这个模型可以模拟气缸盖 的在机体上摩擦滑移作用。首先建立了l 缸和2 缸的一半的有限元模型，包括缸 盖、缸盖衬垫、预紧螺栓、机体。其中缸盖和机体应用了实体单元；缸盖衬垫应 用非线性的弹簧和摩擦单元；螺栓应用了梁单元。通过试验获得了缸盖衬垫的特 性曲线；温度分布通过有限元软件获得，并作了如下假设：有均一的传热效率和 冷却温度，在缸套周向有相同的热流量，机油和空气又相同的对流换热效率，没 有热量经机体表面流失。计算结果表明，热负荷对缸套失圆有最大的影响；燃烧 室气体压力对变形影响较小，但又增加2 阶变形减小4 阶变形的趋势；对比 f u j i m o t o 测量结果，证明了有限元计算结果比传统的计算方法更精确。f r a n zk o c h 建立了整个内燃机的有限有模型，包括机体，气缸盖、气缸衬垫、主要的支撑肋 板等。对于温度分布，应用基于w o s c h n ia n dh o h e n b e r g 方程的模拟燃烧程序， 计算活塞热负荷、平均气体温度和气体到缸套的传热效率( h t c ) ；机体水套的 边界条件通过c f d 分析获得。对于气缸垫，通过测试量获得气缸垫特性，并在 气缸垫两侧应用了包括摩擦力的3 d 接触单元。通过比较计算结果和试验结果， 证明了计算模型建立的合理性【2 2 | 。a l is o u a 应用a b a q u s 计算程序模拟弹性接触 和摩擦等问题，建立了实体模型模拟大变形问题l 删j 。 1 3 本论文的研究内容及意义 内燃机气缸套的变形问题吸引了国内外大量专家学者的关注、研究。但是由 于内燃机气缸套的变形是各种因素综合影响的结果，涉及了结构力学、材料力学、 弹性力学、传热学等学科，是高度非线性复杂问题，因此相关研究也非常困难。 在早期的研究中，通过设计试验装置来测量缸套的变形，获得变形数据，并 通过对比试验对影响因素进行研究分析，是这阶段研究的主要内容。由于试验手 段的限制，试验往往只能获得内燃机气缸套在静态条件下的变形情况，而无法获 得缸套同时在热负荷和机械负荷作用下的变形情况，且试验结果的精度较低。 8 第一章绪论 随着c a e 技术的不断发展，越来越多的研究者通过三维模拟计算结合试验 分析的方式来研究缸套失圆的形式和原因。研究者可以方便的模拟出各结构的材 料非线性和接触非线性，模拟内燃机在工作状态下的受热负荷和机械负荷的状 况，具有研究分析的重复性好，所需成本小、时间周期短的特点，结合试验分析， 可以得到满意的结果。 但是，对于缸套的变形分析，国内外的研究大多是针对某一具体机型的缸套 本身的变形情况进行分析的，并没有得到普遍的规律性，甚至没有验证图1 - 4 所 列出的变形结果，而且以往分析没有深入考虑各影响因素对变形的贡献量，仅仅 做了定性分析，或者简单的定量分析。 针对上述问题，本论文利用c a e 技术的优势，通过建立理想的薄壁桶件模 型，重点研究缸套失圆的规律性，对各变形影响因素进行定量分析；利用薄壁桶 模型的研究结果，通过建立某公司4 1 0 0 q b 的实体及有限元模型，研究气缸套失 圆，进一步获得规律性的结论，从而为今后的设计提供指导性意见，因而具有非 常学术价值和工程意义。 基于上述研究目标，本论文主要工作内容如下： 1 利用p r o l e 软件，建立薄壁桶件和螺栓一体化的三维实体装配模型，此 模型由缸盖螺栓、缸盖、机体的简化模型，以及缸套的实际模型四个部 分组成； 2 应用h y p e r m e s h 软件对薄壁桶件三维模型进行有限元网格划分，建立三 维有限元模型； 3 利用a b a q u s 软件对有限元模型进行边界条件的设置，通过设置不同的边 界条件，计算模型在不同机械符合条件下的变形情况，并进行后处理； 4 根据同样的模拟计算流程和上述计算结果，对4 10 0 q b 柴油机进行实体 及有限元模型的建立和有限元分析，得到机械载荷下的变形的有限元结 果，并对有限元结果进行后处理； 5 利用a b a q u s 软件对4 10 0 q b 柴油机进行热分析，获得其温度分布，在此 基础上耦合机械和热负荷，进行热机耦合分析，分析结果。 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则 由于内燃机结构复杂，且不同机型的结构也不尽一样，因此，在对某种特定 机型内燃机进行气缸套失圆分析时，不仅分析过程困难异常，而且得到的分析结 果具有一定的局限性。为了得到缸套失圆的普遍规律性，有必要忽略不必要的结 构，而重点研究影响其变形的结构。 内燃机气缸套承受着机械载荷和热负荷。其中机械符合包括缸盖预紧螺栓施 加的预紧力载荷、内燃机工作过程中燃气压力载荷和气缸套承受活塞的拍击载 荷。由于后两者机械载荷引起的缸套失圆主要是2 、3 阶的动态变形，其变形量 与热负荷引起的相同阶次的变形量相比要小的多，因此在模拟计算中将其忽略。 而缸盖预紧螺栓的预紧力载荷虽然引起的变形数量级不大，但其产生的失圆是4 阶的，且是静态变形，因此本文重点考虑在预紧力作用下的气缸套失圆。 气缸套在预紧力作用下之所以会发生失圆，是因为预紧力分布不均，预紧力 分别通过气缸盖、气缸衬垫和机体施加在气缸套上，从而使之产生变形。因此， 薄壁桶模型的建模原则是在能够真实模拟预紧力的基础上，建立简化的气缸盖、 气缸衬垫和机体模型，和4 1 0 0 q b 的气缸套实体模型。为了模拟缸盖螺栓预紧力， 本文将建立一种螺栓模型，使之能够较好的模拟螺纹间的接触，从而模拟螺栓预 紧力。 总之，经过综合考虑，在上述建模的原则指导下，本章将建立理想简化的薄 壁桶件模型，为后续的分析做准备。 2 2 有限元建模及分析软件介绍 有限元网格模型的生成方式基本上分为两种类型：不基于几何模型直接建立 节点、单元类型和基于几何模型自动生成节点、单元类型。前者适用于模型相对 简单或采用的软件功能有限的情况下采用。早期的有限元模型皆使用这种方式手 工建立。对于复杂结构来说，通过这种方式建立的有限元模型和实际结构形状相 差较大，获得结果的准确性不高。如在计算模态分析时由于结构的过度简化，可 能导致结果偏差较大而失去分析的意义：在强度分析时复杂结构的应力集中部位 第二章薄壁桶件有限元建模 无法实现真实的模拟。 近些年来，有限元前处理技术进展的一个突出特点是c a d 几何造型( 特别 是三维几何造型) 技术的引入。以几何模型为载体，可以自动生成相应的有限元 网格模型。另外，基于几何模型的网格生成，可以通过指定不同区域的单元大小， 使网格密度更加合理。对于复杂结构强度分析中应力集中部位模拟失真的现象， 可以通过加大应力集中部位的网格密度来很好地解决。 为了在短时间内获得较准确的三维模型，本文选取在p r o e n g i n e e r 软件中建 立三维模型，在h y p e r m e s h 软件中进行网格的选择和划分，充分发挥c a e 技术 优势，最大化提高了分析效率，并有如下优点： 1 造型方便，可以比较直观的控制各复杂部位的形状。 2 有利于各部件的修改。通过改变某个零件，就可达到改变整个模型的效 果。 另外，通过复制命令，可以减少不必要的工作量，节省建模时间另外，c a d 系统具有强大的三维几何建模功能并对设计的后续工作有很好的支持，如可以自 动产生精确的二维工程图等。故本文采用基于几何模型建立节点、单元模型的方 式，建立薄壁结构的三维有限元模型。 基于几何模型的三维有限元模型的建立过程分为以下几个步骤：三维几何模 型的建立、单元类型的选择和有限元网格划分。 2 2 1p r o e n g i n e e r 软件的介绍3 1 】 p r o e 是美国参数科技公司( p t c ) 推出的新一代c a d c a e c a m 软件。其 总体设计思想体现了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 ) 软件的最新发展方 向，f t c 也因此成为全球c a d c a i d c a m c a e p d a 月l a 领域最具代表性的 著名软件公司。它所体现出来的基于特征、参数化、单一数据库、全相关及工程 数据库再利用等概念成为m d a 领域的新业界标准。它能将设计乃至生产的全过 程集合在一起让所有的用户同时对同一产品开展设计工作，并很好地支持并行工 程。由于其强大的功能，自推出以来，迅速成为当今世界最为流行的c a d 软件 之一。深受广大用户的欢迎。 p r o e 系统的核心技术特点是： 1 基于特征：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺 寸存为可变参数，而形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体 的构建。构造实体的基本单元是特征。实体由多个特征组合而成。造型 过程就是不断增加特征，达到最终产品希望的模型。一个完整的模型往 第二章薄壁桶件有限元建模 往是由许多特征组合而成。在构造过程中或构造完成后，可对特征进行 操作。如修改、重定义、重排序、重定关系、插入等操作： 2 参数化：这是p r o e n g i n e e r 的另一特色。由于采用参数化设计，实体 造型较快，造型功能较强。它将形状和尺寸结合起来考虑，通过尺寸约 束实现对几何形状的控制。用户在草绘特征时，只需按自己的意图任意 构造几何形状，再按实际需要修改尺寸即可。造型必须以完整的尺寸参 数为出发点( 全约束) ，不能漏标尺寸( 欠约束) ，不能多标尺寸( 过约 束) 。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。由于采用了参数化，某 个特征的修改会使相关联的特征自动变更，可随时保证设计意图； 3 全数据相关：其所有模块的信息是全相关的。因为它采用单一数据库， 所有的工程文档都采用同一个模型的数据。所谓单一数据库，就是工程 中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在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。这就意味着在产品开发过 程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的 工程文当。包括装配体、设计图纸制造数据。全相关性鼓励在开发周期 的任点进行修改，且没有任何损失，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 ) 成为可能。采用参数化技术的好处在于它彻底改变了自由 建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而被有效控制。尺寸驱动 已经成为当今造型系统的基本功能。 2 2 2a l t a i rh y p e r m e s h 软件的介绍3 2 l h y p e r m e s h 软件是美国a l t a i r 公司的产品，是世界领先的、功能强大的c a e 应用软件包，也是一个创新、开放的企业级c a e 平台，它集成了设计与分析所 需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界 面。在c a e 领域，h y p e r m e s h 最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处 理功能和后处理功能。一般来说，c a e 分析工程师8 0 的时间都花费在了有限 元模型的建立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上的，所 以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多c a d 系统和有限元求解器 进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和 效率具有十分重要的意义。 h y p e r m e s h 是个高性能的有限元前后处理器，它能让c a e 分析工程师在 高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。与其他的有限元前后处理器比 第二章薄壁桶件有限元建模 较，h y p e r m e s h 的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维 c a d 几何模型( u g ，p r o e ，c a t i a 等) 已有的有限元模型，并且导入的效率 和模型质量都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得c a e 分析工程师能 够投入更多的精力和时间到分析计算工作上去。同样，h y p e r m e s h 也具有先进的 后处理功能，可以保证形象地表现各种各样的复杂的仿真结果，如云图，曲线标 和动画等。 在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，h y p e r m e s h 具有很好的速 度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。其他很多有限元前处理软 件对于一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且很多情 况下并不能够成功导入模型，这样后续的c a e 分析工作就无法进行；而如果采 用h y p e r m e s h ，其强大的几何处理能力使得h y p e r m e s h 可以很快的读取那些结构 非常复杂，规模非常大的模型数据，从而大大提高了c a e 分析工程师的工作效 率，也使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解。 h y p e r m e s h 软件的特点： 1 通过高性能的有限元建模和后处理大大缩短工程分析的周期； 2 直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率； 3 直接输入c a