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1、内燃机零部件的有限元分析与优化设计随着发动机技术的不断发展，发动机的设计向着提高效率、增加 可靠性、减轻质量、降低燃油消耗率以及降低排放等方向发展，其强 化指标不断增加，导致热负荷和机械负荷不断增加。发动机主要零部 件的结构形状和工作载荷非常复杂，使许多问题很难甚至不可能采用 材料力学或弹性力学等经典理论进行解决。有限元法作为现代 CAD/CAM/CAE系统的核心理论,其分析思想克服了经典理论的不足，可 用于解决复杂结构的场分布计算问题，目前结构有限元分析在发动机 设计领域中得到了广泛应用，己有很多通用的商品化有限元软件和分 析程序，应用于发动机主要零部件基本的有限元模型已经趋于成熟。1曲轴的
2、有限元分析1.1计算模型的建立目前的曲轴有限元分析基本都采用三维计算模型，主要有以下三 种。(1). 1/4或1/2曲拐模型(见图1, 2)。它主要考虑弯曲载荷 作用，并认为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称。于计算规模小。但其很难正确确定主轴颈剖分面处的边界条件,剖分 面距离过渡，圆角很近也会影响计算精度。(3).整体曲轴模型。这是进行曲轴有限元分析最合理的模型, 计算精度高，但计算规模巨大。1- 2边界条件的处理列：训轴.桦曲轴上的作用载荷相当复杂，作用于曲轴上的载荷主要有通过连 杆传到曲轴上的气压力与活塞连杆组往复惯性力、自由端集中力、自 由端弯矩、输出端集中力、输出端弯矩、自由端的
3、端扭矩、连杆大头 的回转惯性力与连杆轴颈惯性力、曲柄惯性力等。准确确定载荷及力 边界条件较困难，因此很多文献在处理边界条件时都进行了简化假 设：假设各力为集中力；不考虑各轴颈扭矩及弯矩的作用；各力均作 用在曲拐平面内。目前进行曲轴有限元分析时，普遍采用的边界条件处理方法为位 移边界条件和力边界条件。位移边界条件是将两端主轴颈中截面上的 中点和端面上的四个位置分别限制住相关自由度；力边界条件是假定 载荷沿连杆轴颈方向按二次抛物线规律分布，沿轴颈圆周方向120D 角范围内按余弦规律分布（图4）,这是常规的处理方法，这种加载方 式是油膜充分建立、轴承长度无限短且轴承孔中心线与轴颈轴线平行 的条件下曲
4、轴加载方式的模拟，因此是理想的情况。图4理想油膜狀态F的力边界条件2连杆有限元分析2.1计算模型的建立元分析连杆是不规则的空间结构，结构比较复杂，用平面单元或梁单元 很难模拟其实际结构，因此对连杆的有限元分析一般都是基于结构的 三维实体模型进行的。a. 1/4或1/2连杆模型。连杆进行静强度分析时，采用1/4 连杆模型（图5）可以相对准确地得到危险工况下的应力分布。圉5 1“连杆模型b.整体连杆模型。（如图6、7）整体连杆模型中采用维接触有 限元分析方法对连杆杆身、连杆盖、连杆螺栓、连杆轴瓦组成的连杆 大头装配件进行最大拉力工况下的非线性求解计算，可以获得较符合 实际的连杆装配件在螺栓预紧力及
5、工作负荷共同作用下的受力状况 和应力分布规律。2.2边界条件的处理刚体位移约束采用如下方法：连杆大头孔与曲柄销连接，曲柄销 一端面全约束，另一端面可以轴向移动；在连杆小头顶端一节点横向 进行位移协调约束；曲柄销和大头孔间施加接触单元；大头盖和连杆 体之间也存在接触单元。载荷边界条件的处理：由于连杆的受力复杂，根据力的作用效果， 有以下三种载荷的作用：预紧载荷，惯性力，气缸爆发压力。连杆轴 瓦装配预紧力以面力的形式作用在接触面上；加载时把惯性力按余弦 分布规律施加在连杆小头上；把最大爆发压力按余弦分布规律施加在 连杆小头上。3活塞的有限元分析活塞是内燃机的重要零部件之一，其结构和所处的工作环境十
6、分 复杂。在气体压力、往复惯性力等周期性载荷作用下，活塞产生很大 的机械变形和机械应力。在灼热的燃气作用下，还产生很大的热变形 和热应力。热应力与机械应力迭加可导致活塞破坏，而热变形与机械 变形迭加可导致拉缸。因此，用有限元法模拟活塞的温度场、应力场 与变形，对改进活塞设计、提高内燃机的性能与可靠性，是十分重要 的。同时，不同形式的活塞具有不同的有限元模型。3.1组合式活塞实体有限元模型要模拟机械载荷和热负荷同时引起的活塞综合变形与应力，则应 按活塞的实体模型建立非轴对称的有限元模型才更符合实际。对于组 合式活塞，为了深入探索整体活塞的综合力学性能，改进产品设计， 可采用I 一 DEAS有限元
7、分析软件建立一种三维的实体有限元模型。 用热弹耦合方法处理活塞裙体与活塞头之间的接触边界条件,模拟稳 态下活塞的温度场，以及气体燃烧压力、往复惯性力和热负荷共同作 用下整体活塞的综合变形与应力。3.2薄壁油冷活塞三维有限元模型为了减轻活塞的重量，近几年出现了一种箱体薄壁活塞，材料采 用高强度球墨铸铁。这种活塞的重量是以往实体活塞的50%,而且在 直径d200m时，比铝合金活塞还要轻。由于这种活塞壁很薄，从而 对活塞的强度和刚度设计的合理性提出了更高的要求。采用三维模型 对活塞进行计算通过比较计算发现薄壁活塞和厚壁实体活塞一样，其 应力主要是由热负荷引起的。因此较薄的厚壁并不会导致机械应力的 大
8、幅度增加。对于这种薄壁油冷活塞，从活塞顶到环区的温降较大， 使得环区的热膨胀相对于活塞顶较小，导致第一道活塞环糟的槽口收 缩，根部产生很大的压应力，使得该处成为活塞的最危险点。图1组合式活塞实体有限元网格图2薄壁油冷活塞有限元网格4讨论与展望目前，有限元结构分析逐渐趋向于系统分析，而不是仅仅局限于 零部件的分析。应用有限元方法对发动机主要零部件设计，已经成为 当前发动机设计的主要途径之一。有限元方法在发动机设计上的广泛 应用，使发动机的性能不断的随着性能指标要求的提高而提高。本文 所述的有限元模型为发动机的设计和分析提供了可靠的工程依据，也 对其它领域的有限元建模具有参考价值。随着计算机技术的提高，特 别是有限元高精度理论的完善和应用，有限元分析由静态向动态、线 性向非线性、简单模型向复杂系统逐步扩大应用范围。参考文献：1 叶晓明，阔作兴，陈国华,罗马吉柴油机活塞温度场试验研究及三维有限元分析J.华中科技大学学报（自然科学版）2002.2 雷宣扬，宋希庚.裂纹梁单元在曲轴裂纹分析中应用J.大连理工大学学报.2003.3 Hong-WeiSong,GangYu,AlexanderF.H.Kaplan,Jian-SongTanXiao-LiYu Thermal fatigue on pistons induced by shaped high power laser.
