小型汽油机缸盖有限元强度分析
时间:2025-07-08
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发动机
第6期2008年12月
内燃机
InternalCombustionEngines
No.6Dec.2008
小型汽油机缸盖有限元强度分析
王
凯,赵雨东
(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084)
摘要:为分析某小型汽油机气缸盖的结构强度,对其进行了有限元分析。建立了气缸盖的有限元模型,采用10节点四面体二次单元,对缸盖不同区域设置了不同的单元密度,通过有关参数控制网格质量。通过试算调整使测点处温度计算值与实测值相符,得到气缸盖燃烧室火力面区域换热系数,并计算得到了缸盖的温度场。根据装配载荷、温度场和缸内气体压力,计算得出了缸盖耦合应力场,并据此确定了气缸盖高应力区的5个危险点。采用Goodman图法对气缸盖进行的强度分析表明,各危险点均位于Goodman图安全区内,气缸盖结构满足强度设计要求。关键词:汽油机;气缸盖;有限元;强度分析
中图分类号:TK411文献标识码:A文章编号:1000-6494(2008)06-0001-05
FiniteElementStrengthAnalysisonCylinder
HeadofaSmallGasolineEngine
WANGKai,ZHAOYu-dong
(TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomobileSafetyandEnergy,Beijing100084,China)
Abstract:ThecylinderheadofasmallgasolineenginewasanalyzedwithFEMtoevaluatethestructuralstrength.AFEM-modelofthecylinderheadwasbuiltwith10-nodetetrahedronelementandarrangingdifferentdensityofelements.Theelementqualityisguaranteedwiththemeshparameters.Amongthethermalboundaryconditions,theheattransfercoefficientonthefirefaceofthecylinderheadwaseducedbycalibratingandcomparingthecomputedtemperaturesatfeaturedpointswithmeasureddata.Thenthetemperaturefieldofthecylinderheadwasanalyzed.Basedontheassemblingload,temperaturefieldandcylindergasforce,thecouplingstresswasobtainedandfivedangerouspointsweredetermined.ThestructuralstrengthanalysiswithGoodmanmethodshowsthatallthefivepointsareinthesafearea,sothecylinderheadhasenoughfatiguestrength.
Keywrds:gasolineengine;cylinder-head;finiteelement;strengthanalysis
气缸盖在发动机工作过程中受到热负荷和机械载荷的双重作用,其结构强度直接影响到发动机的可靠性。随着汽车发动机强化程度的不断提高,对气缸盖强度进行有限元分析,已经成为发动机开发和改进设计的必要技术途径。
为评估国内某汽车企业开发的小型汽油机气缸盖强度,笔者对该缸盖进行了额定工况下的有限元结构强度分析。
构均按照缸盖的实际结构和尺寸建模[1],确保模型能够真实反映缸盖的结构特点。采用CATIA软件建立气缸盖实体模型,见图1,所研究的气缸盖为一款直列四缸四气门小型汽油机缸盖。
1.2模型简化处理
考虑到气缸盖各缸结构及其所受载荷、约束的
相似性,并考虑减少计算工作量,可只对某一缸进行有限元分析,其结果可以代表缸盖整体的应力分布状况。为反映气缸盖各缸之间的相互影响,采用由一
1
1.1
建立气缸盖有限元模型
气缸盖实体模型
为了保证较高的计算分析精度,使分析结果接
近于发动机工作的实际情况,建模过程中对气缸盖的主要几何尺寸不做任何简化,水腔、气道等复杂结
作者简介:王凯(1981-),男,硕士研究生,主要研究方
图1
发动机气缸盖实体模型
向为发动机结构强度分析。
收稿日期:
2008-06-10
发动机
·2·内燃机2008年12月
个中间整缸和其相邻的两个半缸组成的缸盖几何模型。同时,对缸盖上一些几何尺寸较小,但结构复杂,而又远离气缸盖高应力区(燃烧室火力面)的、对应力分析结果影响很小的细微结构(螺孔、导角等)进行删除。建立的气缸盖简化模型见图2。
燃烧室火力面附近区域采用高密度网格
远离燃烧室火力面区域采用低密度网格
图4
气缸盖模型网格划分侧视图
2
图2
气缸盖简化模型
气缸盖稳态温度场计算
通过给定气缸盖传热边界条件(缸盖各区域换
热系数和介质温度)的方法计算气缸盖在额定工况下的稳态温度场。
热边界条件中,介质温度和除燃烧室火力面之外区域的换热系数根据经验确定。燃烧室火力面的换热系数通过多次试算调整,使得燃烧室多个测点处温度的计算值与实测值相符后得出。
经过6次试算,最终确定气缸盖各区域换热系数和介质温度,见表1。
表1
气缸盖区域燃烧室火力面进气道内壁排气道内壁进气门座圈孔排气门座圈孔冷却水道接触面空气接触面
气缸盖各区域换热系数
介质温度/℃
1.3网格划分
采用Hypermesh软件对气缸盖模型进行有限元
网格划分见图3和图4。主要考虑以下三方面:
a.单元类型选择。气缸盖结构特征多,模型复
杂,只能选用四面体单元。由于一阶单元精度较低,采用10节点四面体二次单元。
b.单元密度设置。中间缸是有限元分析的重点
区域,网格划分时该区域单元密度应较大,网格细密,而左右两侧半缸的单元密度应较小。
同样,燃烧室周边区域是可以预知的高应力区域,是气缸盖强度失效最可能发生的区域,因此是研究重点,该区域单元密度应设置为较大。而对于远离燃烧室的非敏感区域,宜采用较疏的单元密度。
换热系数/(W··m-2℃-1)
57058.24902000400058207.5
9001007803707009020
c.单元质量控制。通过在 …… 此处隐藏:7085字,全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……
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