基于Abaqus的发动机缸体缸盖耦合仿真分析

摘要： 为了解缸体缸盖的温度分布、强度、疲劳性能以及缸垫等的性能，对缸体缸盖进行耦合分析是十分必要的.利用Abaqus和Fire软件联合分析模型的温度场分布，确保各部件的温度性能满足要求，进一步分析各部件的强度以及疲劳性能，确保满足设计要求.

关键词： 温度场； 缸体缸盖耦合； 疲劳安全因数； Abaqus

中图分类号： U464.12；TB115.1文献标志码： B

引言

发动机作为一种热能动力机械，在运转过程中要承受很高的温度和机械载荷，气体温度最高可以达到上千摄氏度.大部分材料在高温条件下机械性能会有明显下降，因此了解发动机各部件的温度分布非常重要.另外，缸垫密封性能也非常重要，缸垫在防止油、气与水的混合方面起到非常重要的作用，若密封性能不好，会导致油水混合，影响发动机的性能.基于以上分析，再进行部件的强度和疲劳分析，确保发动机设计满足要求.

缸体缸盖耦合分析主要考虑热传导分析和强度分析2个方面.在稳态状态下进行温度场计算，通过水套的计算得到冷却介质的对流换热系数.气体的换热边界则由缸内流动计算得到.这2个计算使用Fire软件来完成.同时，活塞环的摩擦和通过活塞传递到缸体的热量也在计算中予以考虑.强度计算考虑几个基本载荷工况：第一步计算缸盖装配工况；第二步计算加载由热传导分析得到的温度边界；在后续的分析步中分别对各缸加载爆发压力.

1计算流程

1.1温度场分析

分析模型包括缸体、缸盖、缸垫、气门座圈、气门和缸盖螺栓等，见图1.传热分析缸体、缸盖、水套、进排气道和缸套部分的热边界由CFD计算得到，部分换热系数和壁面温度见图2和3.

1.2缸垫密封性分析

缸垫特性曲线见图4.

缸垫密封性能主要考察缸垫筋的接触面压是否满足要求，输入的主要参数为缸垫的压缩卸载曲线，主要计算缸口筋和油水筋的线载荷是否在限值之上，若大于限值，表明缸垫的密封性能满足要求.

1.3强度和疲劳分析

强度和疲劳分析的载荷主要有螺栓预紧力、座圈过盈量、热载荷和缸内的爆发压力等.在发动机运转后缸盖螺栓力会减小，这在计算中予以考虑.对于铝合金缸盖，在暖机工况下最大螺栓预紧力减小20%（螺栓力减小是由缸垫和螺纹的塑性变形导致的）.分析工况主要为装配载荷以及四缸分别爆发产生的燃气压力，并由燃气压力的4个工况组成疲劳分析工况，考察缸体缸盖的高周疲劳特性.

2分析结果

2.1传热分析结果

缸体、缸盖、气门以及气门座圈上的温度分布分别见图5～8，可知，缸盖上的最高温度为251 ℃，小于材料所能承受的限值260 ℃.缸体上的最高温度为237 ℃，座圈上最高温度为295 ℃，气门上最高温度为679 ℃，分别都小于各材料的温度限值，表明此发动机各部件的温度符合设计要求.

2.2缸垫密封性能分析结果

缸口筋和油水筋的线载荷分布见图9和10，可知，缸口筋位置的最小线载荷为52 N/mm，大于限值50 N/mm；油水筋位置的最小线载荷为15 N/mm，大于限值10 N/mm.二者均满足设计要求.

缸体和缸盖上的安全因数分布分别见图11和12，可知，缸盖上的最小安全因数为1.12，缸体上的最小安全因数为1.16，均大于1.1的限值，满足设计要求.

3结束语

用Abaqus软件可以得到发动机各部分结构的温度分布，并且可以分析缸垫的密封性能以及缸体缸盖的强度和疲劳性能，在设计初期使关键部件的性能满足要求.