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润滑与密封总第177期

题研究的发展以及有限元分析技术的提高,法兰接触面的弹塑性性质对密封性能的影响日益得到研究者的重视

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计算中设缸盖为刚性体,但为了考虑缸垫、缸套及其支承部件(机体)在缸盖高度方向上刚度的不均匀性对分析的影响,在缸盖、缸垫、缸套、机体之间建立接触单元模拟实际接触情况。

气缸盖/气缸套之间的密封性能通过气缸垫受力情况来衡量。气缸垫受力大小是衡量和评价密封性能的主要依据。气缸垫受力大小用模型中接触单元的轴向力表征。模型中

缸盖结构高度方向为轴向图2 气缸盖密封结构示意图正方向。

3 1 几何模型与有限元模型的建立

为了较精确地仿真机体和气缸盖对气缸垫的作用,采用整体装配法建立单缸整体式气缸盖和机体的装配体有限元模型,通过接触分析实现二者对气缸垫作用的自动仿真。其中采用Pro/E软件建立缸盖、机

体及缸套的几何模型,并对模

图3 几何模型及其剖面图

。缸盖法兰与气缸垫片被认为是一对相互接触

物体,有限元分析中的接触物体必须满足无穿透约束条件。在数学上施加无穿透约束条件的方法有拉格朗日乘子法、罚函数法以及基于求解器的直接约束法

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。本文作者所采用的ANSYS程序中运用直接约

束法来求解接触问题。直接约束法就是在处理接触问题时追踪物体的运动轨迹,一旦探测出发生接触,便将所需的运动约束(法向无相对运动、切线可滑动)和节点力(法向压力和切向摩擦力)作为边界条件直接施加在产生接触的节点上。基于直接约束的接触算法是解决所有接触问题的通用方法,程序能根据物体的运动约束和相互作用自动探测接触区域,施加接触约束。

本文的分析采用了理想弹塑性模型,屈服准则为Von-Mises准则,其数学表达式如下: e=

2

( 1- 2)+( 2- 3)+( 3- 1)

2

2

式中 1, 2, 3分别为最大应力点的3个主应力。计算中考虑由于相互接触而产生的接触应力和变形。计算过程分为预紧阶段和加压阶段,以便考察缸盖法兰密封面与气缸垫接触处在整个预紧和加压过程中应力及变形量的变化。在预紧状态,随着螺栓预紧力的加大接触面载荷也增大,并逐步产生塑性变形。所以在有限元模型中将接触面区域进行网格加密,重点考察塑性区的扩展情况。2 气缸盖结构简介

所研究的某160型柴油机,采用单体式水冷气缸盖,两气门,其中排气门和进气门沿燃烧室中心线对称分布,每缸对称布置4个紧固螺栓,图1为该气缸盖的仰视简图。气缸盖通过施加

图1 气缸盖仰视简图

型作适当简化。几何模型及剖面图见图3所示。

由于接触问题分析属于状态非线性分析,需要较多的计算资源。所以在划分网格时无关紧要的部分网格数尽量减少,在重要的部分采用六面体网格以提高计算精度,关键部位进行网格细化。针对缸盖和机体结构的复杂性,作者采用自由网格方法建立缸盖和机体的有限元模型。而缸套和气缸垫在稍作简化后形状较为规则,采用六面体单元划分网格,并把缸垫接触面处网格细化,作为主要研究对象。有限元模型及其剖分、放大图如图4所示。

于螺栓上的预紧力压紧安置于缸套上的气缸垫,从而达到密封的目的。图2为密封结构简图。3 计算模型的建立

考虑到气缸盖、机体结构的复杂性,在此采用CAD技术,首先建立其参数化三维实体模型,然后运用有限元法将问题归结为数值模拟计算。

图4 有限元模型及局部放大图

气缸垫网格单元总数1152个,节点总数为1920个。当对网格再加密1倍试算后,计算结果相