錢(qián)多德，王昊鵬，曹文霞

（1.安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601;2.天津內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072;3.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥 231603）

0 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)后端齒輪室與飛輪殼接觸面大，是密封設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。而密封膠作為一種使用靈活的密封手段，具有鎖緊防松、密封防漏、固持定位的特點(diǎn)，在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中被大量使用，且不同類(lèi)型密封膠的使用條件各不相同;因而需要在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)結(jié)構(gòu)得到確定的條件下，確定密封膠的具體選擇。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，采用一定的模擬技術(shù)對(duì)工程選擇做出理論支撐具有十分明顯的意義。

1 組件連接的力學(xué)模型

文中涉及到的螺栓連接主要有兩種形式，如圖1所示，圖（a）、（b）兩圖中螺紋孔均位于最下層底板，其余通孔不具有螺紋，螺栓打緊后，使待密封面形成配合。螺栓通過(guò)扭矩 （T）控制法擰緊，在CAE模擬中需用公式

將扭矩載荷轉(zhuǎn)化為力 （F）載荷。

在公式 （1）中，K為扭矩系數(shù)，計(jì)算公式為:

式中:p為螺紋螺距;μ為綜合摩擦因數(shù);d2為螺紋中徑;De為支承面有效外徑;Di為支承面的內(nèi)徑［1－2］。

2 常用密封膠的使用特點(diǎn)

密封膠是機(jī)械產(chǎn)品的一種新型密封材料，亦稱(chēng)液態(tài)墊片，填充再結(jié)合部分，阻止液體的泄漏，具有密封、填塞、襯墊的作用，儲(chǔ)存狀態(tài)為液態(tài)及膏狀。在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中，常用的密封膠有厭氧膠和有機(jī)硅膠，二者適用于不同工作條件。

（1）厭氧膠。從定義上講，厭氧膠黏劑在氧氣存在的條件下保持液體狀態(tài)，在隔絕氧氣并有金屬離子如鐵離子或銅離子存在的條件下發(fā)生固化反應(yīng)。不需稱(chēng)量、混合、配膠，使用極其方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。

（2）硅膠。相比于厭氧膠，有機(jī)硅膠的固化條件對(duì)于空氣及濕度的要求則沒(méi)有那么苛刻，只需在涂抹后放置一段時(shí)間，便可固化成型［3－4］。

3 ABAQUS/Standard接觸理論

在ABAQUS接觸模擬中，通過(guò)將接觸面的名字賦予一個(gè)接觸的相互作用來(lái)定義兩個(gè)表面之間可能發(fā)生的接觸，并賦予一種接觸屬性。ABAQUS/Standard使用單純主—從接觸算法:一個(gè)表面 （從屬面）上的節(jié)點(diǎn)不能侵入另一個(gè)表面 （主控面）的某一部分，并在兩面間產(chǎn)生間隙。該算法并沒(méi)有對(duì)主面做任何限制，它可以在從面的節(jié)點(diǎn)之間侵入從面，如圖2所示?；谶@種嚴(yán)格的主從關(guān)系，必須根據(jù)如下原則選擇主面和從面:（1）從面應(yīng)該是網(wǎng)格劃分更精細(xì)的表面;（2）如果網(wǎng)格密度相近，從面應(yīng)該取自采用較軟材料的表面。此外，針對(duì)兩平面的相對(duì)滑動(dòng)，根據(jù)量級(jí)分為小滑動(dòng)和有限滑動(dòng)，如果兩個(gè)表面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)小于一個(gè)單元面上特征長(zhǎng)度的一個(gè)小的比值（如20%），那么小滑動(dòng)是合適的。在許可的條件下使用小滑動(dòng)公式可以提高分析的效率［5－6］。

4 有限元模型及結(jié)果分析

在建立組件接觸有限元模型時(shí)，對(duì)其受力狀況做一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化，是在保證研究對(duì)象的基本特征和受力狀態(tài)盡量真實(shí)的前提下進(jìn)行的。

對(duì)有限元模型的假設(shè)和簡(jiǎn)化包括:

（1）氣缸與機(jī)體之間的缸墊予以省略，代之以一定的裝配間隙，即二者間無(wú)接觸。

（2）為減少不必要的運(yùn)算分析，在對(duì)模型影響很小的情況下，將實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在于缸蓋與齒輪室間的密封膠層省略，缸蓋與齒輪室間無(wú)接觸。

（3）為方便劃分網(wǎng)格，同時(shí)為確保運(yùn)算分析收斂，將半缸機(jī)體、半缸下箱體、半缸蓋、飛輪殼中的水套、油道、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)予以填充、去除。

（4）建模過(guò)程中，不再對(duì)螺紋進(jìn)行精確建模，包括螺紋孔及各型螺栓等處螺紋。

4.1 建立三維模型

取發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端的半缸蓋、半缸機(jī)體、半缸下箱體、齒輪室、飛輪殼及各型螺栓構(gòu)成組件，并將組件各部分按前述原則簡(jiǎn)化，如圖3所示，各部分均在三維軟件Pro/E中建立，并導(dǎo)出為.igs格式，再將其導(dǎo)入Hypermesh中劃分網(wǎng)格，生成.inp文件，最后導(dǎo)入ABAQUS軟件。

4.2 統(tǒng)一網(wǎng)格裝配坐標(biāo)系

為保證模型組件能在各步軟件處理中保持正確的裝配關(guān)系，此次計(jì)算分析采用了基于幾何面約束求解全局坐標(biāo)系的裝配定位方法，其基本思想是根據(jù)現(xiàn)有三維模型建立部件幾何面之間的裝配關(guān)系，以統(tǒng)一坐標(biāo)系為媒介，在CAE環(huán)境下對(duì)部件幾何面進(jìn)行參數(shù)表達(dá)，從而識(shí)別每個(gè)幾何面的目前位置和方向，并可以在各步所用軟件中被繼承下來(lái)，從而保證了分析過(guò)程中裝配關(guān)系的準(zhǔn)確、無(wú)誤［7－8］。

4.3 劃分網(wǎng)格

分別劃分各零件的3D網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分過(guò)程要遵循如下幾個(gè)原則:

（1）合法性。一個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)不能落入其他單元內(nèi)部，在單元邊界上的節(jié)點(diǎn)均應(yīng)為單元的節(jié)點(diǎn)，不可丟失。

（2）相容性。單元必須落在待分區(qū)域內(nèi)部，不能落入外部，且單元并集等于待分區(qū)域。

（3）協(xié)調(diào)性。單元上的力和力矩能夠通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞給相鄰單元。因此，要保證一個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)必須同時(shí)也是相鄰單元的節(jié)點(diǎn)，而不應(yīng)是內(nèi)點(diǎn)或邊界點(diǎn);相鄰單元的共有節(jié)點(diǎn)具有相同的自由度性質(zhì)，即自由度必須匹配。

（4）逼近精確性。待分區(qū)域的頂點(diǎn) （包括特殊點(diǎn)）必須是單元的節(jié)點(diǎn)，待分區(qū)域的邊界 （包括特殊邊及面）被單元邊界所逼近。

（5）良好的單元形狀。單元最佳形狀是正多邊形或正多面體。

（6）良好的劃分過(guò)渡性。單元之間過(guò)渡相對(duì)平穩(wěn)，否則將影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性甚至使有限元計(jì)算無(wú)法進(jìn)行下去。

（7）網(wǎng)格劃分的自適應(yīng)性。在待研究接觸面、幾何尖角處、應(yīng)力、面壓力等變化大的地方網(wǎng)格應(yīng)密，其他部位應(yīng)較稀疏，這樣可以保證計(jì)算結(jié)果精確可靠。

（8）一致性。對(duì)于相連的兩個(gè)二次單元，單元角點(diǎn)只能與單元角點(diǎn)連接，而不能與相鄰單元的中間節(jié)點(diǎn)相連;相鄰單元的公共邊應(yīng)具有相同的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

此外，為保證計(jì)算精度，接觸面網(wǎng)格細(xì)化為2 mm，保證節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，圖3中幾何體采用C3D4單元 （4節(jié)點(diǎn)四面體線(xiàn)性完全積分單元），共計(jì)劃分單元995 634個(gè)，并利用ABAQUS軟件集成的網(wǎng)格檢測(cè)功能，根據(jù)計(jì)算迭代要求檢查網(wǎng)格質(zhì)量［9－11］。

4.4 定義材料

各零件材料屬性如表1所示。

表1 零件列表及材料屬性

4.5 定義接觸

在ABAQUS軟件Interaction功能模塊中定義接觸面，組件間各接觸面及支承面與螺栓接觸面賦予τ=0.15的罰函數(shù)小滑動(dòng)摩擦屬性，見(jiàn)圖4。

4.6 定義邊界條件和載荷

根據(jù)實(shí)際受力情況，用主菜單中的BC→Manger來(lái)創(chuàng)建邊界條件，用Load→Manger來(lái)施加載荷。為了確保收斂，先定義一個(gè)只用10 N螺栓軸向力的分析步，讓接觸關(guān)系平穩(wěn)建立起來(lái);然后在第二個(gè)分析步中施加真實(shí)載荷，其值由公式 （1）計(jì)算，如表2所示，設(shè)定細(xì)節(jié)見(jiàn)圖5、圖6。

表2 各型號(hào)螺栓軸向力

4.7 后處理及結(jié)果分析

利用Visualization功能模塊進(jìn)行后處理:顯示待密封面——飛輪殼－齒輪室接觸面的CPRESS面壓力 （圖7）及COPEN兩密封面分離間隙 （圖8）。

在圖7可見(jiàn):接觸面上分布的大量深色區(qū)域接觸面壓小于2 MPa，且在圖8中，對(duì)應(yīng)淺色區(qū)域存在的間隙達(dá)到8 μm甚至更大。

將現(xiàn)有計(jì)算結(jié)果與第2節(jié)中所列密封膠使用條件進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn):此結(jié)構(gòu)中多處區(qū)域的分離間隙較大，極有可能不滿(mǎn)足厭氧膠的使用條件;與之相應(yīng)的是，硅膠所能接受的密封面最大間隙可達(dá)0.6mm，也就是說(shuō)，硅膠可以對(duì)非加工或粗加工表面進(jìn)行密封。這樣，采用硅膠，一方面可以滿(mǎn)足此結(jié)構(gòu)的密封要求，另一方面又可以降低生產(chǎn)成本，一舉兩得。

4.8 接觸面壓偏小原因分析及改進(jìn)措施

接觸面壓偏小的原因主要有:

（1）相鄰螺栓間距過(guò)大。螺栓打緊后，螺帽擠壓支承面，使飛輪殼產(chǎn)生局部翹曲變形，因此，當(dāng)相鄰緊固螺栓間距較大時(shí)，遠(yuǎn)離兩螺栓的中間區(qū)域會(huì)有接觸面壓不足的情況。

（2）接觸面幾何形狀復(fù)雜。飛輪殼局部接觸面的曲率變化較大，形成了一些遠(yuǎn)離螺栓的區(qū)域，這樣導(dǎo)致作用在接觸面上的壓力不足，從而產(chǎn)生了局部分離。

（3）相鄰接觸面緊固螺栓的影響。齒輪室除與飛輪殼配合外，還同機(jī)體、下箱體、缸蓋存在螺栓連接，也會(huì)引起齒輪室的局部變形，影響待密封面的接觸。

針對(duì)上述原因，相應(yīng)的改進(jìn)措施包括:

（1）增加接觸面的剛度，保證接觸面的壓力分布更加均勻，加強(qiáng)筋的設(shè)置位置應(yīng)盡量靠近螺栓處。

（2）螺栓位置分布盡量均勻，在接觸面曲率變化劇烈的位置，將螺栓布置得緊密一些。

（3）適當(dāng)增大螺栓的上緊力矩。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)待密封面及其相關(guān)組件的裝配關(guān)系，建立了有限元分析模型。

（1）計(jì)算得到了面壓力及接觸面間隙模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在多處面壓力偏小的區(qū)域，通過(guò)比對(duì)厭氧膠和硅膠的使用條件，最終得出結(jié)論:推薦選用硅膠作為齒輪室－飛輪殼接觸面的密封手段，以期達(dá)到在滿(mǎn)足密封條件的前提下節(jié)約成本的目的。

（2）通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)的分析得出了增加面壓、減小間隙的設(shè)計(jì)原則，對(duì)密封接觸面的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

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