摘 要：文章以汽車發(fā)動機缸體為研究對象，從輕量化材料角度出發(fā)，對發(fā)動機缸體進行建模和網(wǎng)格劃分，并在ANSYS軟件中，對發(fā)動機缸體賦予HT250灰鑄鐵材料和6111鋁合金材料，進行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，通過對比分析，發(fā)現(xiàn)使用6111鋁合金材料可以達到輕量化效果。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機缸體 輕量化材料 6111鋁合金

自2020年雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，各行業(yè)要共同努力使二氧化碳的排放量降低，旨在實現(xiàn)我國經(jīng)濟高質(zhì)量的發(fā)展和促進人類生態(tài)環(huán)境的改善。對于汽車工業(yè)而言，減少整車燃料消耗，減少汽車發(fā)動機工作過程中有害氣體的產(chǎn)生，降低空氣中污染顆粒物的濃度，有利于雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)。據(jù)研究表明，對于汽車，若它的整體重量每降低10%，則綜合行駛油耗會相應(yīng)地減少8%-10%，二氧化碳排放量則會降低10%[1]。由此可見，輕量化對于汽車性能的提升及雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)的實現(xiàn)，是一條有效的路徑。

汽車的輕量化是指在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃油消耗，降低排氣污染。汽車若要實現(xiàn)輕量化，可從三方面著手，分別是結(jié)構(gòu)輕量化、工藝輕量化以及材料輕量化[2]。發(fā)動機是汽車動力的核心，發(fā)動機在氣缸產(chǎn)生的能量通過活塞帶動曲柄連桿機構(gòu)等傳動裝置從而帶動汽車運動。氣缸也是把燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為車輛動力的地方，在動力發(fā)生設(shè)備以及包含動力裝置在內(nèi)的機器上均能應(yīng)用。而缸體又是發(fā)動機五大部分之一，它通過其他機構(gòu)和零件聯(lián)接成一個整體。它是發(fā)動機全部零件安裝的基礎(chǔ)。在現(xiàn)代轎車中，發(fā)動機缸體主要用于承載發(fā)動機所需重量和承受載荷，并對其進行保護和密封，以保證發(fā)動機的正常工作。

本文以汽車發(fā)動機缸體為研究目標(biāo)，從材料輕量化角度入手，選擇HT250灰鑄鐵和6111鋁合金兩種材料，使用CATIA三維繪圖軟件繪制發(fā)動機缸體的模型，并導(dǎo)入ANSYS軟件中。在ANSYS軟件中，首先，對發(fā)動機缸體材料進行材料屬性選擇，劃分網(wǎng)格，施加約束及載荷，分析這兩種發(fā)動機缸體材料的應(yīng)力、應(yīng)變情況，然后分別進行模態(tài)分析，分析這兩種材料對應(yīng)的發(fā)動機各階固有頻率，并進行相應(yīng)的模態(tài)分析。本著輕量化的目標(biāo)，在滿足設(shè)計要求的前提下，對發(fā)動機缸體進行材料輕量化分析。

1 發(fā)動機缸體的有限元分析

1.1 發(fā)動機缸體模型的建立

1.1.1 發(fā)動機缸體模型簡化

本q5256FUqtQsSjtE4woJICw==文對一種四缸發(fā)動機的缸體結(jié)構(gòu)進行了研究。在有限元模型的構(gòu)建中，缸體的結(jié)構(gòu)特征在理論上應(yīng)該進行詳盡的描述以便更準(zhǔn)確地分析，但是因為建模過程過于復(fù)雜而產(chǎn)生了計算上的問題，所以需要將缸體模型簡化。通過大量試驗和仿真驗證表明，采用等效單元法可以方便地應(yīng)用于發(fā)動機缸體結(jié)構(gòu)的建模過程中。簡化是以省略一些無關(guān)緊要的成分或保留占有主導(dǎo)地位的成分為準(zhǔn)則[3]。除其他外，應(yīng)考慮如下：

（1）忽視某些局部特征。如缸體的小螺栓孔、凸臺和油道等對發(fā)動機的作用影響不大。但這種細(xì)小的孔洞和在網(wǎng)格劃分中的單元數(shù)量非常少，但它會造成模型單位數(shù)量的急劇增長，并且在研究中所需要的費用的倍增。

（2）簡化的局部細(xì)節(jié)。例如缸體部分鑄造而成的大圓角設(shè)計可簡化，但在氣缸內(nèi)增強筋時、凹槽和結(jié)合處的圓角設(shè)計仍對內(nèi)部應(yīng)力分配有重要影響，在建模中仍應(yīng)予以考慮。

（3）大螺栓孔的加工。忽略了孔狀構(gòu)造的，原應(yīng)保留的螺釘孔用圓孔替代，如缸蓋螺栓孔。

在三維軟件CATIA中構(gòu)建了四缸發(fā)動機缸體簡化模型，發(fā)動機缸體的長度為460mm，高度為210mm，每個孔的直徑是90mm，如圖1所示。然后將三維實體模型以格式導(dǎo)出。

1.1.2 發(fā)動機缸體網(wǎng)格劃分

將類型的發(fā)動機缸體模型文件導(dǎo)入ANSYS有限元軟件進行網(wǎng)格劃分，并且進行幾何修復(fù)與幾何特征簡化操作，通過幾何清理操作對錯誤及不符合的線面及缺失元素進行修復(fù)。為了比較發(fā)動機常用的缸體材料HT250和本文選擇的輕量化材料鋁合金，由這兩種材料鑄造的發(fā)動機缸體的強度、剛度等，分別對該模型進行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，然后求解后通過后處理進行分析，兩種材料參數(shù)如表1所示。

網(wǎng)格劃分首先要考慮網(wǎng)格尺寸，網(wǎng)格太大造成計算精度不夠，網(wǎng)格太細(xì)造成計算資源耗費太大。為此，本文使用了ANSYS軟件智能網(wǎng)格分析，對汽車發(fā)動機的缸體模型實行了網(wǎng)格分析。智能網(wǎng)格應(yīng)用于復(fù)雜建模的直接分離，能夠避免在將模型各個部分的網(wǎng)格劃分后再加以組合時可能導(dǎo)致的失配。通過改變網(wǎng)格密度和增加結(jié)點數(shù)來提高計算效率。在此基礎(chǔ)上進行了同一工況下缸體應(yīng)力分析。劃分網(wǎng)格的缸體有限元模型如圖2所示。該模型由74144單元和16963節(jié)點組成。

2 發(fā)動機缸體靜力學(xué)分析

本節(jié)主要是對HT250灰鑄鐵發(fā)動機缸體和6111鋁合金發(fā)動機缸體分別進行靜力學(xué)分析，為模擬其工作狀態(tài)，施加的主要約束是固定氣缸體的底部、施加的主要載荷分別位于1、3氣缸內(nèi)的內(nèi)表面。在ANSYS軟件中對氣缸施加約束載荷，得到的發(fā)動機缸體約束工況模型，如圖3所示。將上述的有限元模型進行仿真，計算機經(jīng)過求解之后得到的發(fā)動機缸體的靜力分析結(jié)果，從ANSYS軟件中的求解結(jié)果不容易觀察，因此可以再通過后處理得到相應(yīng)的應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖。

2.1 HT250灰鑄鐵發(fā)動機缸體靜力學(xué)分析

首先是應(yīng)力云圖，從圖4中可以看出HT250灰鑄鐵材料模擬的發(fā)動機缸體正常工作時，應(yīng)力集中在1、3氣缸底部。其中最大應(yīng)力為4.662MPa，而一般金屬材料的最大屈服極限為250MPa，因此可以推斷出HT250灰鑄鐵材料的發(fā)動機氣缸完全可以滿足更多工況下對剛度、強度的要求。然后是應(yīng)變云圖，如圖5所示，其最大應(yīng)變?yōu)?，可以忽略不計，因此完全滿足剛度要求，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 6111鋁合金發(fā)動機缸體靜力學(xué)分析

首先是應(yīng)力云圖，從圖6中可以看出6111鋁合金材料模擬的發(fā)動機缸體正常工作時，應(yīng)力集中在1、3氣缸底部。由圖可知，氣缸體的最大應(yīng)力為3.827MPa，而一般金屬材料的最大屈服極限為276MPa，可以推斷出6111鋁合金材料的發(fā)動機氣缸完全可以滿足更多工況下對剛度、強度的要求。然后是應(yīng)變云圖，從圖7中可以看出最大應(yīng)變?yōu)?.063×10-3mm，可以忽略不計，同樣符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 發(fā)動機缸體靜力學(xué)分析對比

氣缸向1、3面施加壓力時，在其內(nèi)部會形成應(yīng)力分配不均情況，在接近邊界的部分形成了應(yīng)力聚集現(xiàn)象，這是由于近邊界部的二垂直面交界，表面上生成了變化，引起內(nèi)部應(yīng)力突變，從而形成了應(yīng)力聚集，形成危險點，在實際工作中應(yīng)加入小圓角設(shè)計以減少應(yīng)力聚集對氣缸的危害。因為缸體1、3內(nèi)部的受力，導(dǎo)致缸體2、4表層受到擠出而生成的變化，從而導(dǎo)致沿圓心連接方向孔徑變小了。這是由于缸體2、4內(nèi)表層接受了來自缸體1、3內(nèi)表層的不平衡的擠壓應(yīng)力的緣故，模擬結(jié)論滿足了現(xiàn)實的物理學(xué)過程。

經(jīng)對比兩種材料在施加同種約束條件、壓力載荷下的情況下，可以看出6111鋁合金所受應(yīng)力最小，兩種材料其應(yīng)變均符合剛度要求，可忽略不計。因此可以推斷出若6111鋁合金作為發(fā)動機缸體的鑄造材料，要比HT250灰鑄鐵更好。

3 發(fā)動機缸體模態(tài)分析

模態(tài)分析主要是指通過對構(gòu)件進行的振動特征分析，也就是通過振動特征判斷固有頻率和振型。發(fā)動機氣缸流場分布狀況直接影響著發(fā)動機的動力特性。氣缸內(nèi)氣體燃燒的波動性將導(dǎo)致燃油室溫度或發(fā)動機氣缸內(nèi)壓強的波動，這就將形成對發(fā)動機氣缸振動的激勵力，而對發(fā)動機氣缸的震動則將導(dǎo)致推進劑燃燒產(chǎn)生較大的震蕩，由此就可以使發(fā)動機出現(xiàn)工作故障，對發(fā)動機氣缸進行模態(tài)分析也是對缸體進行優(yōu)化設(shè)計的必要前提。對發(fā)動機缸體模態(tài)進行分析時，按照邊界要求的差異，分成了獨立模式分析方法和約束模式分析方法。本文中使用了自由模態(tài)分析方法，對發(fā)動機缸體模態(tài)的計算僅僅是前六階，其中展示第一階的模態(tài)振型圖，如圖8、9所示。

3.1 HT250灰鑄鐵、6111鋁合金發(fā)動機缸體模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)的振動特性決定了結(jié)構(gòu)對各種載荷不同壓力的反應(yīng)能力，從各階模態(tài)振型圖得知，各階對應(yīng)的振動頻率值均滿足要求。但由于缸體內(nèi)進氣、壓縮、燃燒、排氣四種沖程的交替進行，氣缸內(nèi)產(chǎn)生不穩(wěn)定氣壓使缸體發(fā)生一定程度的震動，圖中紅色顯示震動中最大應(yīng)變區(qū)域，最大應(yīng)變發(fā)生在每個尖點上，紅色部分代表危險點。

發(fā)動機缸體的前六階振動頻率值，如表2所示。

一般情況下，大多數(shù)路況的路面激振頻率低于25Hz，汽車發(fā)動機激振頻率區(qū)間為66Hz～83Hz，HT250灰鑄鐵材料和6111系鋁合金材料的一階頻率高于此激振區(qū)間，綜上兩種缸體均不會與路面或發(fā)動機產(chǎn)生共振，但6111系鋁合金材料下缸體模態(tài)振型更高，相對優(yōu)于HT250灰鑄鐵材料。

4 總結(jié)

本論文借助在ANSYS軟件中，通過對發(fā)動機缸體模型的HT250灰鑄鐵材料、6111鋁合金材料兩種材料，分別進行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，得出了6111鋁合金材料作為發(fā)動機缸體替代材料的可行性。在CAE分析過程中還發(fā)現(xiàn)一些問題，如三維模型太過簡單、進行靜力學(xué)分析不夠深入等問題，因此需要進一步改進和完善。

參考文獻：

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[3]倪建華.基于ANSYS的發(fā)動機缸體模態(tài)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（4）：14-15．