胡定云　吳　波　魏志明　張全中　馬軍華（中國北方發(fā)動機(jī)研究所（天津）天津400300）

局部結(jié)構(gòu)對氣缸蓋關(guān)鍵部位應(yīng)力分布影響的研究*

胡定云吳波魏志明張全中馬軍華
（中國北方發(fā)動機(jī)研究所（天津）天津400300）

氣缸蓋的水腔及氣道的鑄造質(zhì)量明顯低于外壁，通常是氣缸蓋強(qiáng)度的薄弱部位，其應(yīng)力主要是由機(jī)械負(fù)荷造成的。在有限元軟件ANSYS中對局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化前后的水腔及氣道應(yīng)力分布進(jìn)行仿真計(jì)算。在機(jī)械載荷條件下，研究了氣缸蓋頂板加強(qiáng)筋及噴油器安裝座孔局部結(jié)構(gòu)對水腔及氣道應(yīng)力的影響。局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化使水腔及氣道危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力都降低，水腔應(yīng)力最高降低39.2%，氣道應(yīng)力最高降低36.1%。為氣缸蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

氣缸蓋局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力有限元分析

引言

氣缸蓋、氣缸套及活塞共同組成內(nèi)燃機(jī)的燃燒室。在內(nèi)燃機(jī)工作過程中，氣缸蓋承受很大的機(jī)械負(fù)荷及熱負(fù)荷，是內(nèi)燃機(jī)中工作條件最為惡劣的零部件之一。氣缸蓋的強(qiáng)度可靠性問題一直是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵課題，而氣缸蓋水腔、進(jìn)氣道、排氣道的鑄造質(zhì)量要明顯低于外壁，因此氣缸蓋的水腔、進(jìn)氣道、排氣道的強(qiáng)度可靠性基本決定了氣缸蓋的可靠性。本文通過有限元法研究了在機(jī)械載荷條件下氣缸蓋頂板加強(qiáng)筋及噴油器安裝孔的局部結(jié)構(gòu)對氣缸蓋水腔、進(jìn)氣道、排氣道應(yīng)力的影響［1-3］。

1　氣缸蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡介

本文研究的內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋是4缸整體式的水冷鑄鋁氣缸蓋，采用4個(gè)氣門，其中排氣門和進(jìn)氣門各2個(gè)；每個(gè)氣缸周圍布置6根螺栓，其中4根為相鄰缸共用；氣缸蓋頂板以噴油器安裝孔為中心呈放射狀的加強(qiáng)筋，各螺栓座孔之間有加強(qiáng)筋，圖1為氣缸蓋的俯視圖簡圖；氣缸蓋有上下兩層水腔，噴油器安裝孔從頂面連接至底板，圖2為縱剖面簡圖?？疾鞖飧咨w頂板加強(qiáng)筋、噴油器安裝孔局部結(jié)構(gòu)對氣缸蓋關(guān)鍵部位的應(yīng)力影響，因此對有無加強(qiáng)筋、噴油器安裝孔是否與氣缸蓋地板連接不同氣缸蓋方案的應(yīng)力進(jìn)行有限元計(jì)算，具體方案見表1［4-5］。

圖1　氣缸蓋俯視圖

圖2　氣缸蓋縱剖面視圖

表1　氣缸蓋的結(jié)構(gòu)方案

2　有限元模型的建立

氣缸蓋應(yīng)力計(jì)算采用一個(gè)整缸帶兩個(gè)半缸的模型，通過有限元分析軟件ANSYS建了氣缸蓋有限元分析網(wǎng)格模型。有限元網(wǎng)格模型采用四面體二次單元，為了準(zhǔn)確地計(jì)算氣缸蓋的應(yīng)力對網(wǎng)格模型進(jìn)行收斂性分析，對氣缸蓋關(guān)鍵部位（水腔、進(jìn)排氣道等）分別采用5 mm、3 mm、2 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行爆發(fā)工況計(jì)算得到不同尺寸網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果具體見表2，根據(jù)計(jì)算結(jié)果及計(jì)算成本最終選擇水腔及氣道采用2 mm的網(wǎng)格單元尺寸確立網(wǎng)格模型，具體網(wǎng)格模型見圖3［6-7］。

表2　不同單元尺寸的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3　氣缸蓋有限元分析網(wǎng)格模型

3　氣缸蓋局部結(jié)構(gòu)對水腔應(yīng)力影響

三種氣缸蓋方案的水腔應(yīng)力分布基本一致，應(yīng)力分布如圖4所示。氣缸蓋水腔危險(xiǎn)點(diǎn)1、2、3位于緊固螺栓座孔與水腔連接處的過渡圓角，危險(xiǎn)點(diǎn)4位于進(jìn)氣道壁與水腔交接的過渡圓角，危險(xiǎn)點(diǎn)5位于排氣道壁與水腔交接的過渡圓角，具體見圖5。預(yù)緊工況不同氣缸蓋結(jié)構(gòu)方案水腔危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力對比見表3，爆發(fā)工況不同氣缸蓋結(jié)構(gòu)方案水腔危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力對比見表4。由表3可知，噴油器安裝局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化使氣缸蓋水腔危險(xiǎn)點(diǎn)3的應(yīng)力降低最多，降幅為8 MPa（約11.3%），使水腔危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力平均下降6.1%；頂板加強(qiáng)筋使氣缸蓋水腔危險(xiǎn)點(diǎn)2位置的應(yīng)力降低最多，降幅為17MPa（約27.9%），使水腔危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力平均下降14.7%。由表4可知，爆發(fā)工況下，噴油器安裝局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化使氣缸蓋水腔危險(xiǎn)點(diǎn)4的應(yīng)力降低最多，降幅為29MPa（約39.2%），使水腔危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力平均下降11.9%；頂板加強(qiáng)筋使氣缸蓋水腔危險(xiǎn)點(diǎn)2位置的應(yīng)力降低最多，降幅為24 MPa（約23.1%），使水腔危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力平均下降16.8%。

4　氣缸蓋局部結(jié)構(gòu)對氣道應(yīng)力影響

圖4　水腔應(yīng)力分布

圖5　水腔危險(xiǎn)區(qū)域位置示意圖

表3　預(yù)緊工況下水腔危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表4　爆發(fā)工況下水腔危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

三種氣缸蓋方案的氣道應(yīng)力分布基本一致，應(yīng)力分布如圖6和圖7所示。危險(xiǎn)點(diǎn)1、2、3位于進(jìn)氣道，危險(xiǎn)點(diǎn)4、5、6位于排氣道，具體如圖8所示。預(yù)緊工況不同氣缸蓋結(jié)構(gòu)方案氣道危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力對比見表5，爆發(fā)工況不同氣缸蓋結(jié)構(gòu)方案氣道危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力對比見表6。由表5可知，預(yù)緊工況下，噴油器安裝局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化使氣缸蓋氣道危險(xiǎn)點(diǎn)2的應(yīng)力降低最多，降幅為6 MPa（約10.5%），使氣道危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力平均下降5.9%；頂板加強(qiáng)筋使氣缸蓋氣道危險(xiǎn)點(diǎn)4位置的應(yīng)力降低最多，降幅為7 MPa（約15.6%），使氣道危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力平均下降7.6%。由表6可知，爆發(fā)工況下，噴油器安裝局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化使氣缸蓋氣道危險(xiǎn)點(diǎn)2的應(yīng)力降低最多，降幅為12 MPa（約14.6%），使氣道危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力平均下降9%；頂板加強(qiáng)筋使氣缸蓋氣道危險(xiǎn)點(diǎn)6位置的應(yīng)力降低最多，降幅為30 MPa（約36%），使氣道危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力平均下降16.5%。

圖6　進(jìn)氣道應(yīng)力分布

圖7　排氣道應(yīng)力分布

表5　預(yù)緊工況下氣道危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果

圖8　氣道危險(xiǎn)區(qū)域位置示意圖

表6　爆發(fā)工況下氣道危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果

5　結(jié)論

1）噴油器座孔局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和頂板加強(qiáng)筋都能降低氣缸蓋水腔及氣道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，爆發(fā)工況降低的幅值大于預(yù)緊工況；

2）噴油器座孔局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和頂板加強(qiáng)筋都能降低氣缸蓋水腔及氣道關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，頂板加強(qiáng)筋的作用更顯著。

1吳兆漢，汪長民.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1990

2陳傳淼，黃云清.有限元高精度理論［M］.長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1995

3胡定云，陳澤忠，溫世杰，等.某柴油機(jī)氣缸蓋疲勞可靠性預(yù)測［J］.車用發(fā)動機(jī)，2008（增刊）：38-40

4劉金詳.6114柴油機(jī)缸蓋有限元結(jié)構(gòu)分析［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，22（4）：367-372

5張儒華，左正興，廖日東，等.氣缸蓋中一些關(guān)鍵功能結(jié)構(gòu)的承載機(jī)理研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，22（3），280-287

6馮慧華，左正興，譚建松，等.單元尺寸對內(nèi)燃機(jī)模態(tài)計(jì)算精度的影響［J］.車用發(fā)動機(jī)，2002（1）：811

7陸際清，沈祖京，孔憲清，等.汽車發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1993

The Effect of Local Structure on Stress Distribution of Pivotal Part of Cylinder Head

Hu Dingyun，Wu Bo，Wei Zhiming，Zhang Quanzhong，Ma Junhua
China North Engine Research Institute（Tianjin）（Tianjin，400300，China）

The casting quality of water chamber and airway is markedly lower than the outer wall，belongs to the weak position of the cylinder head，the stress is mainly caused by mechanical load.The local structure before and after strengthening to the stress distribution of water chamber and airway was calculated in the finite element software ANSYS.Under mechanical load condition，the effect of local structure on stress distribution of water chamber and airway of cylinder head was studied.Local structure to strengthen the stress of water chamber and airway of the dangerous point is reduced，the stress of water chamber was reduced by 39.2%at most，the stress of airway was reduced by 36.1%at most.This provides reference basis for structure optimization of cylinder head.

Cylinder head，Partial structure，Stress，F(xiàn)inite element analysis

TK413

A

2095-8234（2015）04-0061-04

2015-04-06）

國家863基金項(xiàng)目（2012AA111709）。

胡定云（1982－），男，副研究員，本科，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)及可靠性研究。