摘要：某汽油机开发阶段须对发动机各主要部件结构强度和刚度做全面评价，并且须考核缸盖缸体的高周疲劳性能.基于STARCCM+计算出水套内部气体温度和对流换热系数，将其映射到水套有限元网格表面上作为温度边界条件.得到整个机体的温度场分布以后，在考虑各部件接触非线性的基础上，得到机体各部件的应力和变形等结果并进行评价.在有限元分析结果的基础上考虑材料温度非线性，考察缸体缸盖疲劳安全因数.结果表明，缸盖局部应力偏大，下缸体与油底壳接触面局部间隙过大，缸体缸盖疲劳安全性能满足要求.

　　关键词：汽油机；缸盖；缸体；强度；刚度；疲劳；非线性；有限元法

　　中图分类号：U464.1文献标志码：B

　　0引言

　　在发动机设计开发过程中，通过CAE模拟计算考察气缸盖与气缸体等重要零部件的强度、刚度以及耐久性和疲劳特性等，可以为发动机机体各部件开发、优化设计提供依据，并大大缩短开发周期，避免物理样机出来后产生严重的质量问题.国内外已经有一些公司采用CAE软件模拟发动机工作中的实际工况，以考察发动机各零部件的可靠性和耐久性.[1]

　　本文先建立发动机机体主要部件的有限元模型，在考虑各部件接触非线性的基础上基于Abaqus计算得到各部件的应力、变形结果，并就关心的结果进行评价分析；然后在有限元分析结果的基础上，考虑材料温度非线性，考察缸体缸盖疲劳安全因数.

　　1有限元模型

　　1.1模型说明

　　分析对象为纵置直列四缸发动机，有限元模型见图1.模型包括缸盖、缸体、缸垫、下缸体、油底壳、简化变速器和各关键螺栓等，其中，缸垫、燃烧室、火花塞和各部件接触区域均采用六面体单元，其余部分采用四面体单元.六面体单元数为290000个，总单元数为1130000个，总节点数为446000个.

　　图1整机有限元模型

　　1.2边界条件和载荷

　　1.2.1热边界条件

　　在发动机工作过程中，缸盖和缸体水套中冷却液的流动带走大部分热量.应用CFD软件STARCCM+计算出水套内部气体温度和对流换热系数，然后将其映射到水套有限元网格表面上作为温度边界条件；燃烧室、进排气道、进排气阀座和上下缸体等根据经验和已有的试验数据，赋予温度和对流换热系数值.

　　1.2.2位移边界条件

　　约束进气侧悬置点x，y和z等3个方向平动自由度，约束排气侧悬置点y和z等2个方向平动自由度，约束变速器端面z方向平动自由度.

　　1.2.3接触边界条件

　　在两两相互接触的部件之间建立接触对.如缸盖与缸垫、缸垫不同层之间、缸垫与缸体、缸体与下缸体、下缸体与油底壳、主轴瓦与上下缸体以及主轴瓦之间等都需建立接触，并且在接触时设定冷装配工况下实际的间隙和过盈量.

　　1.2.4载荷和分析工况

　　载荷包括螺栓预紧力、主轴承座力以及热负荷等.在计算热应力时采用顺序耦合分析方法，即先计算得到整个机体的温度场分布，然后将该温度场作为强度计算的热负荷输入.强度计算时定义3个分析工况：工况1为冷装配工况，工况2为在冷装配基础上导入热负荷，工况3则是在前二者基础上施加二缸做功时各主轴承座载荷.

　　2计算结果分析

　　2.1温度场分析

　　整机温度场分布见图2，其中，最高温度在二缸缸套处.

　　图2整机温度场分布

　　缸盖温度场分布见图3，温度最高处在二缸排气阀座处.

　　图3缸盖温度场分布

　　缸体温度场分布见图4，温度最高处在两缸之间.缸套为铸铁材料，其许用温度为300℃，缸体和缸盖为铝合金材料，其许用温度为255℃.各部件的最高温度均未超过材料的许用温度.

　　图4缸体温度场分布

　　2.2结构分析

　　在进行结构分析时，发动机缸盖缸体温度都比较高，应考虑其材料的温度非线性效应.缸盖的最大主应力场分布见图5，图中，二缸与三缸间缸盖螺栓附近区域1和2位置最大主应力偏高，但绝对值未超过常温下的抗拉极限值200MPa，建议增大区域1和2处圆角，并适当光滑.

　　图5缸盖应力场分布

　　缸体的最大主应力场分布见图6.缸体最大主应力远小于其抗拉强度极限，其强度满足要求.另外，下缸体、油底壳的最大主应力均远小于其抗拉强度极限，强度均满足要求.

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