58_应用hyperworks进行发动机缸体缸盖耦合计算_申景倩

1、 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论 应用 HyperWorks 进行发动机缸体、缸盖耦合计算 申景倩 赵铮 长城汽车股份 动力研究院 河北保定 071000摘要：在发动机的开发过程中，需要模拟计算在实际运行的状况下是否发生破坏，判断是否满足设计要求。本文利用 HyperMesh 建立发动机的有限元整机模型。模拟发动机在运转状态下热 8 负荷及燃气压力对发动机机体的影响，最后使用 HyperView 进关键词：HyperWorks，发动机，热负荷，燃气压力0 前言 结果后处理。发动机的CAD模型结构复杂，不易生成有限元模型。计算具有多工况、高度非线性的特点。这就使工程师创

2、建高质量的CAE模型时，需要花费大量时间。 HyperWorks作为全球最优秀的CAE软件之一，在各个领域的到广泛应用。其前处理模块HyperMesh作为杰出的有限元前后处理平台，拥有全面的CAD和CAE求解器接口，强大的集合清理和网格划分功能，能够高效的建立各种复杂模型的有限元和有限差分模型，大幅提高CAE 工程师的工作效率。 经长城汽车自主研发的GW4G13发动机，在由汽车与运动主办，国汽车工业 、中国汽车工程学会、中国汽车技术研究中心、中国内燃机工业 联合支持的2009年度“中国心” 十佳发动机评选中，经过公正严格的评选，荣获该榜单自主品牌小排量发动机唯一名次。 图 1 GW4G13 发

3、动机及获奖证书 长城汽车动力研究院在GW4G13发动机的开发过程中，CAE分析扮演了关键角色。以下内容为通过CAE仿真手段考量其热负荷及燃气压力对发动机结构影响。Abaqus具有非常强大的非 线性的计算能力，但其的前处理能力相对较弱。HyperMesh具有强大的前处理及CAE接口，有效的弥补了Abaqus在这方面的不足。计算完成后通过HyperView对结果进行后处理，分析其是否满足设计要求。 1 计算工况 1.1 计算工况及流场计算结果输入 缸体、缸盖耦合计算作为最难的发动机结构分析之一，需要发动机包括流体、性能优化等CAE各功能模块紧密合作，才能够完成。计算结果需经过多次迭代方能够收敛用于

4、对发动及设计的评价。综合考虑发动机在全速全负荷时的工作状况，将计算分为四个不同的工况。 缸体缸盖耦合计算工况为:表一 缸体缸盖耦合计算工况 序号 计算工况 计算内容 说明 1温度场计算 各零部件温度场 需流体边界输入（见2.2） 2装配工况 模拟发动机各部件间的 装配情况 3热应力工况 装配工况+热应力工况 1. 以温度场的计算结果作为输入 2. 热应力工况是在装配工况的基础上进行计算，工况间具有继承性。 4最大缸压工况 装配工况+热应力工况+最大缸压（1/2/3/4缸） 1.2 流体计算结果（流体温度场与 HTC 计算结果） 水套及燃烧的计算结果由AVL fire计算所得，油道温度场根据相似

5、机型的实验结果设置为定常温度。计算结果供计算结构温度场时使用。 图 2 水套温度场图 3 水套 htc图 4 燃烧室温度场 2 有限元网格划分 图 5 燃烧室 htc整个计算模型由缸盖、缸体、缸垫、缸套、螺栓、垫圈、气门座圈、气门导管、火花塞。 图 6 缸体、缸盖耦合分析的计算模型 整体坐标系采用右手法则的直角坐标系，X 轴的方向与曲轴同向，坐标系的中心在曲轴的中心，Z 轴与气缸轴同向，Y 轴在发动机的侧向。 图 7 整机计算模型 为了网格生成更方便，每个零件建立一组几何模型、面网格及体网格。对MPC 来说，接触面上的节点和单元应该有相同的位置。面网格划分时应该从接触区域开始，而且应该从较小的

6、那个零件的接触区域开始划分。 由于计算规模较大，考虑计算机计算能力及计算结果精度的影响。故对发动机燃烧室、缸垫、缸盖底面、缸体顶面的网格进行细化。 根据计算工况的不同，计算所需要的网格也有所不同 2.1 计算实体网格划分 以下实体网格在温度场计算、装配工况计算、热应力工况计算、最大缸压工况计算中通用， 只是单元类型有所不同。 图 8 缸盖计算网格图 9 垫片计算网格 图 10 缸体网格图 11 缸套网格 图 12 缸盖螺栓及垫片网格图 13 导管、火花塞及座圈网格 2.2 温度场计算需流体映射壳网格 以下为计算温度场时所需要的壳网格。壳网格主要是用于流体映射，将流体的映射结果作为流场边界，通过

7、固体导热从而得到固体温度。 图 14 燃烧室及进排气道流体边界网格图 15 水套流体边界网格 3 计算结果 图 16 润滑道流体边界网格 本文应用HyperView进行后结果处理。HyperView是一个强大且全面的CAE仿真和试验的后处理软件，其可视化环境具有直观的、高性能的图形界面，能够显著降低工程分析的时间和成本。 3.1 温度场计算结果 温度场的计算结果为全速全负荷时一个工作循环的平均温度，缸盖的的最高温度出现在缸盖的鼻梁区，缸体的最高温度出现在两缸之间，且最高温度都未超出材料的耐热极限。 图 17 缸盖温度场图 18 缸体温度场 3.2 装配工况计算结果（略） 3.3 热应力工况计算

8、结果（略） 3.4 最大缸压工况计算结果 由于强度计算各工况计算结果之间具有继承性，故装配工况、热应力工况计算结果未单独列出，以下显示的云图为装配工况、热应力工况、各缸燃气压力综合的结果。 图 19 一缸爆发缸盖应力场 图 20 一缸爆发缸体应力场 图 21 二缸爆发缸盖应力场 图 22 二缸爆发缸体应力场 图 23 三缸爆发缸盖应力场图 24 三缸爆发缸体应力场 图 25 四缸爆发缸盖应力场图 2缸爆发缸体应力场 由以上各缸爆发计算结果可以看出，缸体、缸盖在热负荷及燃气压力综合的作用下，最大综合应力均未超出材料屈服极限且安全系数满足要求。故可以得出结论缸体、缸盖的设计满足开发目标。 4 疲劳

9、分析（略） 在计算强度计算结果的基础上利用Fatigue进行疲劳分析。判断其是否发生疲劳破坏。 5 结论 通过以上总结可以发现， GW4G13取得十佳发动机的荣誉与有限元手段的应用是密不可分的，同时也是与优秀的有限元软件的帮助是密不可分的。HyperWorks在GW4G13的开发中 起到了极其重要的作用，在确保发动机性能的同时保证了轻量化的机身。最后，应对HyperWorks 对长城汽车自主研发高性能发动机的帮助表示感谢。 6 参考文献 1 王勖成.有限元方法M.清华大学 ，20032 李楚琳、张胜兰、冯茵、杨朝阳.HyperWorks 分析应用实例M.机械工业.2008.7cylinderh

10、ead and cylinerblock coupling calculation using HyperWorksAbstract: In design progress, real engine operating condition should be simulated to check the risk of potential damage for further judge whether designs meet requirements. In this paper the finite element model of whole GW4G13 engine has been build using HyperMesh. Simulation of engine operation tak