奚鳴杰，石秀勇，盧學(xué)文，林新昌，倪計民，張洪超

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804;2.上海興盛密封墊有限公司，上海 201804)

前言

現(xiàn)代車用發(fā)動機(jī)不斷追求更高的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能，對發(fā)動機(jī)零部件可靠性要求也越來越高。密封系統(tǒng)是現(xiàn)代高性能發(fā)動機(jī)的重要子系統(tǒng)，其性能直接影響著發(fā)動機(jī)的運行狀況。由于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)更緊湊，因此密封區(qū)域縮小;發(fā)動機(jī)的輕量化，有可能降低零件的剛度，限制了螺栓的預(yù)緊力;為減小氣缸變形，在較高的爆發(fā)壓力和溫度下要求有新的燃燒室密封系統(tǒng);為盡量減小氣缸墊公差及其對燃燒室容積的影響，要求減少氣缸墊的層數(shù)或降低氣缸墊厚度;在不增加甚至降低螺栓預(yù)緊力的情況下，仍要滿足現(xiàn)代發(fā)動機(jī)的密封要求，這就須開發(fā)帶有特殊密封結(jié)構(gòu)的氣缸密封墊，儲存更多的能量以改善密封［1］。

目前國內(nèi)在發(fā)動機(jī)氣缸密封墊結(jié)構(gòu)方面的研究較少，對于氣缸密封墊上壓紋結(jié)構(gòu)的研究則更少。本文中在研究氣缸密封墊整體密封性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)用試驗設(shè)計(DoE)方法［2］對壓紋結(jié)構(gòu)的密封性能做了進(jìn)一步的研究。

1 發(fā)動機(jī)氣缸密封墊

本文的研究對象是多層金屬氣缸密封墊，該氣缸密封墊主要是由帶有壓紋結(jié)構(gòu)和橡膠涂層的功能層、帶有擋板結(jié)構(gòu)的擋板層和附加層構(gòu)成［3］，結(jié)構(gòu)如圖1所示。功能層一般由彈性不銹鋼制成，壓紋結(jié)構(gòu)可把螺栓預(yù)緊力轉(zhuǎn)化為密封壓力以實現(xiàn)二級動態(tài)宏觀密封;橡膠涂層和缸蓋與缸體結(jié)合表面充分接觸，可以實現(xiàn)微觀密封;擋板層上的擋板結(jié)構(gòu)一般主要集中在發(fā)動機(jī)氣缸口附近，使各層上的密封結(jié)構(gòu)得到更好的匹配，同時通過擋板自身的高度實現(xiàn)一級宏觀密封［4］。

通過改變多層金屬氣缸密封墊上的壓紋結(jié)構(gòu)和尺寸來滿足發(fā)動機(jī)密封系統(tǒng)對氣缸密封墊的總體要求及其各密封部位對面壓的不同要求。按照各自結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同又可分為半壓紋和全壓紋兩種形式，如圖2所示。影響壓紋密封特性的因素有:(1)幾何尺寸(壓紋高度h、寬度l、坡角α和功能層厚度d);(2)功能層使用的材料。

壓紋結(jié)構(gòu)將螺栓力由面壓力轉(zhuǎn)換為密封線壓力，因而提高了局部密封壓力。功能層使用的材料一般都是彈性較好的鋼板，當(dāng)壓紋受壓時，全壓紋產(chǎn)生4條高壓力線;半壓紋產(chǎn)生2條高壓力線［5］，如圖3所示。

根據(jù)不同密封位置的不同密封要求，可以設(shè)計出多種幾何尺寸的壓紋結(jié)構(gòu)，它們具有確定的負(fù)載特性和恢復(fù)特性。按照零部件的剛度、所使用的材料、螺栓力和安裝位置不同，選擇較軟或較硬的壓紋。一般帶有壓紋結(jié)構(gòu)的氣缸密封墊相對于不帶壓紋結(jié)構(gòu)在彈性恢復(fù)性能上有明顯改善，通常會按照主機(jī)廠對密封性能要求的不同，采用不同的壓紋組合形式。

2 氣缸密封墊整體有限元分析

氣缸密封墊整體有限元分析主要包括4個步驟:建立三維實體模型;實體模型結(jié)構(gòu)離散化;定義邊界條件;有限元計算分析。

根據(jù)氣缸密封墊二維工程圖紙，在UG中建立氣缸密封墊三維實體模型;在Hypermesh中進(jìn)行實體離散化;在ABAQUS中建立材料、接觸、約束等邊界條件，施加螺栓預(yù)緊力并進(jìn)行有限元計算［6］。

2.1 氣缸密封墊上密封壓力分布

根據(jù)第四強度理論，采用Von.Mises應(yīng)力作為材料發(fā)生屈服破壞的判斷準(zhǔn)則，分析氣缸密封墊應(yīng)力集中和密封性能［7］。氣缸墊的Von.Mises應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖可見:壓力主要分布在氣缸缸口、螺栓孔和冷卻液潤滑油通道周圍的壓紋面上，且密封壓力從半壓紋到全壓紋呈逐漸變大的趨勢。

2.2 試驗驗證

根據(jù)主機(jī)廠要求，在面壓試驗臺上對該款氣缸密封墊進(jìn)行面壓試驗，具體試驗流程如圖5所示。

按照發(fā)動機(jī)氣缸密封墊片技術(shù)條件［8］對面壓試驗結(jié)果做進(jìn)一步分析，并與計算值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。試驗得到的氣缸密封墊上的壓力分布規(guī)律與有限元計算得到的壓力分布規(guī)律基本吻合，按要求取點對比分析，結(jié)果見表1。有限元分析結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本相符，證實了仿真計算的準(zhǔn)確性，根據(jù)主機(jī)廠對墊片缸口壓力p≥50MPa的要求，該款氣缸密封墊在螺栓預(yù)緊力作用下能滿足靜態(tài)密封要求。

表1 試驗值與計算值對比

3 基于DoE的壓紋結(jié)構(gòu)密封性能研究

將DoE試驗設(shè)計引入到氣缸蓋密封墊壓紋結(jié)構(gòu)的仿真計算中，通過對仿真中的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計，在保證模型標(biāo)定正確的前提下，減少仿真計算次數(shù)，提高壓紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的效率。

在對氣缸密封墊整體分析的基礎(chǔ)上，建立壓紋密封結(jié)構(gòu)的截面模型，對全壓紋和半壓紋截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。以壓紋結(jié)構(gòu)密封壓力為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)構(gòu)參數(shù)為尋優(yōu)變量，結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍為約束條件［9］，運用DoE試驗設(shè)計軟件 OPTIMUS分析優(yōu)化目標(biāo)和尋優(yōu)變量之間的關(guān)系。

3.1 全壓紋和半壓紋有限元分析結(jié)果

全壓紋和半壓紋的Von.Mises應(yīng)力等值線圖如圖7所示。由圖可見:全壓紋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生4個高線性密封壓力，半壓紋產(chǎn)生2個高線性密封壓力;全壓紋截面上的作用力明顯大于半壓紋截面的密封壓力，因此全壓紋主要布置在對密封要求更為嚴(yán)格的氣缸口周圍。

3.2 基于DoE的壓紋密封壓力響應(yīng)曲面模型的建立

3.2.1 全壓紋密封壓力Kriging響應(yīng)面的建立

在氣缸密封墊的初期設(shè)計過程中，考慮到氣缸密封墊厚度對整機(jī)壓縮比的影響，先確定壓紋結(jié)構(gòu)高度，然后再按照需求對全壓紋結(jié)構(gòu)寬度和角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文中按照發(fā)動機(jī)氣缸密封墊技術(shù)條件，選擇3個高度，分別分析密封壓力與壓紋坡角和壓紋寬度之間的關(guān)系。

基于DoE方法選取關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)并確定寬度和角度變化步長分布，采用拉丁超立方試驗設(shè)計法規(guī)劃仿真試驗并進(jìn)行有限元分析計算。根據(jù)仿真結(jié)果，以R-Square為評價指標(biāo)［10］，選用擬合度最高的Kriging模型［11］進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，Kriging模型擬合出全壓紋密封壓力與結(jié)構(gòu)參數(shù)的響應(yīng)曲面如圖8～圖10所示。

基于建立的Kriging響應(yīng)面模型以全壓紋密封壓力的最大值為優(yōu)化目標(biāo)，采用EGO(全局尋優(yōu)算法)和NLPQL(非線性二次規(guī)劃法)［12］對最優(yōu)值進(jìn)行預(yù)測。利用ABAQUS仿真計算對預(yù)測值的驗證結(jié)果表明，響應(yīng)曲面擬合精度較高，如表2所示。

3.2.2 半壓紋密封壓力RBF響應(yīng)面的建立

影響半壓紋密封壓力的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是半壓紋高度和寬度。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)氣缸密封墊技術(shù)條件確定結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍和步長，采用拉丁超立方試驗設(shè)計法規(guī)劃仿真試驗并進(jìn)行有限元分析計算，并應(yīng)用RBF(徑向基函數(shù)算法)［13］對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，半壓紋的密封壓力與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的擬合曲面如圖11所示。

基于建立的RBF響應(yīng)面模型以半壓紋密封壓力的最大值為優(yōu)化目標(biāo)，采用EGO(全局尋優(yōu)算法)和NLPQL(非線性二次規(guī)劃法)［11］對最優(yōu)值進(jìn)行預(yù)測。ABAQUS對預(yù)測值的驗證結(jié)果表明，RBF響應(yīng)曲面擬合精度較高，如表3所示。

表2 全壓紋模擬計算與擬合值的對比

表3 半壓紋模擬計算與擬合值的對比

3.3 Kriging和RBF響應(yīng)面在壓紋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用

Kriging響應(yīng)面模型能夠很好地模擬壓紋密封壓力同結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。這種采用ABAQUS和OPTIMUS聯(lián)合計算的方法縮短了仿真計算的時間。

在全壓紋的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，高精度的響應(yīng)曲面可以為仿真計算提供導(dǎo)向作用。例如圖8中的A區(qū)域?qū)儆诿芊鈮毫^小的區(qū)域，在氣缸密封墊全壓紋的設(shè)計過程中，盡量不選擇該區(qū)域內(nèi)的角度和寬度數(shù)值。在滿足與氣缸蓋、氣缸體匹配的前提下，盡量選擇圖8中B區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為密封區(qū)域提供更大的密封壓力。

而在半壓紋結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇過程中，以RBF響應(yīng)曲面模型為基礎(chǔ)，在滿足主機(jī)廠對結(jié)構(gòu)參數(shù)要求范圍之內(nèi)，可以按照半壓紋密封壓力與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的響應(yīng)面來篩選滿足密封要求的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4 結(jié)論

對氣缸密封墊三維模型進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果和試驗結(jié)果的誤差在工程許可范圍之內(nèi)，表明該氣缸密封墊在螺栓預(yù)緊力作用下能滿足靜態(tài)密封要求，同時也驗證了有限元模型的正確性。

將氣缸密封墊實體和截面的有限元分析結(jié)合起來，對氣缸密封墊壓紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步優(yōu)化，提高了有限元分析效率，縮短了氣缸密封墊整體有限元分析時間。

將DoE方法應(yīng)用到壓紋結(jié)構(gòu)的計算中，運用OPTIMUS擬合出壓紋密封壓力與壓紋結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的響應(yīng)曲面，在氣缸密封墊壓紋設(shè)計過程中，可按照所需密封壓力，結(jié)合整機(jī)對氣缸密封墊布置的要求，在擬合曲面上選取合理的設(shè)計參數(shù)。這樣不僅大大縮短了仿真計算的時間，還為優(yōu)化計算指出了方向。

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