劉玉慧中航工業(yè)南京輕型航空動力有限公司

Abaqus有限元軟件在活塞發(fā)動機氣缸體強度計算中的應(yīng)用

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氣缸體是發(fā)動機的基礎(chǔ)零件和骨架，由于其結(jié)構(gòu)和工作受力情況復(fù)雜，用常規(guī)的方法無法對其進行準確的受力分析。針對某型活塞發(fā)動機在試驗時氣缸體斷裂的事故，采用有限元數(shù)值計算方法，應(yīng)用Abaqus有限元軟件，對其在工作載荷下的靜強度進行了分析，并根據(jù)計算結(jié)果對氣缸體進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的方案得到了臺架試驗的驗證。

氣缸體；有限元；強度

1、前言

氣缸體是發(fā)動機的基礎(chǔ)零件和骨架，通過它把發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)（包括活塞、連桿、曲軸、飛輪等零件）和配氣機構(gòu)（包括缸蓋、凸輪軸等）以及供油、潤滑、冷卻等機構(gòu)連接成一個整體。氣缸體工作在高載荷、磨損劇烈的條件下，承受較大的壓力，受力復(fù)雜，作用在缸蓋上的燃氣壓力通過缸蓋螺栓傳遞到缸體上，作用在活塞上的氣缸壓力產(chǎn)生了活塞向缸控右側(cè)的側(cè)壓力，此力以曲軸中心為支點，產(chǎn)生氣缸體的側(cè)翻力，曲軸的曲柄、連桿軸頸、連桿大頭的離心力作用對各主軸承孔蓋形成了彎矩，氣缸體承受彎矩。氣缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚差懸殊，易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，缸體的可靠性是人們在發(fā)動機設(shè)計開發(fā)階段要首先考慮的問題。

某型活塞發(fā)動機在開發(fā)試驗階段，氣缸體出現(xiàn)了斷裂事故。通過限元法對氣缸體進行了詳細分析，為缸體的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)，并通過了臺架試驗的考核。有限元方法不僅節(jié)約了開發(fā)成本，還縮短了發(fā)動機的開發(fā)周期。

2、有限元分析

建立準確的數(shù)學(xué)模型是確保有限元數(shù)值模擬準確性的首要條件，包括有限元網(wǎng)格模型，邊界和載荷條件，所建的模型應(yīng)能如實反映結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性、邊界條件及承載情況等。特別是對復(fù)雜的工程問題作精細分析時，計算模型的建立至關(guān)重要。

2.1 結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

采用軟件UG完成氣缸體三維實體模型。氣缸體材料為ZL101A,熱處理狀態(tài)T6，抗拉強度為275MPa；氣缸套材料為硼鑄鐵。

2.2 有限元模型

為了保證有限元計算的準確性，僅對計算精度影響較小的部分圓角進行適當(dāng)簡化，采用10節(jié)點四面體實體單元劃分網(wǎng)格，對斷裂處的結(jié)構(gòu)進行了局部細化，劃分網(wǎng)格后的單元總數(shù)為353212個，節(jié)點總數(shù)為670984個。

2.3 邊界條件及載荷

計算時考慮氣缸套與氣缸體之間的過盈裝配，過盈量為0.17mm；考慮溫度載荷，氣缸套均溫160℃，氣缸體均溫120℃；考慮力學(xué)載荷，取氣缸體爆發(fā)壓力最大及活塞對缸體側(cè)推力最大(曲軸轉(zhuǎn)動10°)時作為工作載荷，其中最大爆發(fā)壓力加載在缸體與缸蓋之間連接螺栓位置處；側(cè)推力加載在活塞裙部對應(yīng)的缸體位置處，計算時不考慮缸蓋與氣缸體密封墊片的作用。計算載荷見表1。

約束氣缸體與缸蓋接觸面的法向位移，約束螺栓孔的徑向和軸向位移。

表1 計算載荷

2.4 變形及應(yīng)力計算結(jié)果

氣缸體在計算載荷下最大位移量為0.43mm。氣缸體在計算載荷下的應(yīng)力云圖見圖1，最大應(yīng)力為828MPa，最大應(yīng)力處由于受到螺栓孔約束的影響而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，此時該處的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系已經(jīng)不是線性關(guān)系，但由于有限元程序在計算時將結(jié)構(gòu)變形當(dāng)成彈性變形，因此該處的應(yīng)力值不能反映真實情況，計算應(yīng)力值大于真實值。不考慮螺栓孔位置處的應(yīng)力，最大應(yīng)力值為217MPa，最大應(yīng)力位置為氣缸體試驗斷裂處。

圖1 氣缸體應(yīng)力分布圖

3、計算結(jié)果分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

氣缸體靜強度安全系數(shù)計算公式為：

式中：σb為材料的抗拉強度極限，σmax為最大當(dāng)量應(yīng)力。參考航空零部件安全性的一般要求，強度儲備系數(shù)n＞1.5。根據(jù)式（1）可以得到n=1.26＜1.5，表明氣缸體靜強度不滿足要求。

從應(yīng)力分布可以看出，氣缸體在第一和第二散熱片之間（對應(yīng)螺栓孔位置）出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且加強筋在靠近散熱片位置應(yīng)力偏大。根據(jù)計算分析結(jié)果，對氣缸體結(jié)構(gòu)進行改進，在第一和第二散熱片之間局部增厚，并將加強筋加寬增厚。

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)做同樣載荷及邊界條件下的靜強度有限元分析，氣缸體在第一和第二散熱片之間區(qū)域的最大應(yīng)力由217MPa下降至130MPa，滿足靜強度要求，且改進后的結(jié)構(gòu)相對原結(jié)構(gòu)在加強筋及散熱片區(qū)域平均應(yīng)力更低。

4、結(jié)論

有限元法是一種先進的數(shù)值計算方法，通過有限元法計算分析了某型活塞發(fā)動機氣缸體的變形及應(yīng)力情況，并對其進行了靜強度校核。實踐證明，此分析結(jié)果與實際情況比較吻合。

根據(jù)計算結(jié)果確定了氣缸體結(jié)構(gòu)強度薄弱區(qū)，對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，計算結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值下降了40%，滿足靜強度要求。優(yōu)化后的氣缸體裝機后在后續(xù)試驗及小批量生產(chǎn)中，均未出現(xiàn)斷裂故障。

[1]林海英，龍向陽.某型增壓航空活塞發(fā)動機仿真研究.航空動力學(xué)報，2009年06期

[2]馬斌，邵微，陳秉智.柴油發(fā)動機活塞靜強度分析.計算機輔助工程，2014年02期

劉玉慧（1982-），女，湖南省邵陽人，碩士，畢業(yè)院校；中國航空院，職稱：工程師，現(xiàn)就職于：中航工業(yè)南京輕型航空動力有限公司，研究方向：發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析。