基于有限元法的单缸柴油机气缸缸套变形分析

摘 要：为解决X170F柴油机整机比质量差的问题，应用HyperWorks建立柴油机的有限元模型并分析。提出缸套评价指标，并采集缸套变形数据。对机体进行了结构改进，结论证明更换材料的方案可行有效。

关键词：整机比质量；气缸套变形；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.017

0 引言

某柴油机比质量较差，因此本文对其进行改进设计。总的改进优化指导原则：在保证柴油机强度刚度的情况下，使其整机比质量尽量小。

1 建立有限元模型

计算条件及方案：

进行有限元分析前，针对性的提出了以下方案如表1所列。

（1）边界条件的确定。曲轴箱底支座孔处约束X、Y、Z平动自由度。

（2）力的施加。气缸内有燃气压力。活塞侧压力沿周向120°余弦施加，在轴向沿着抛物线分布[4，5]。

2 更换机体材料

第二代单缸柴油机整机比质量限值11.5kg/kw（3000r/min）。该柴油机排量0.289L，12小时输出功率为3.676kW/3000r/min。根据上述要求计算得到其重量限值42.27kg，本文所研究的柴油机重47kg，存在5kg的超重量。

应用铝合金材料替代铸铁合金，可以使曲轴箱质量有效减重6～7kg。这两种材料的许用抗拉强度相差不大。但铸铝合金的弹性模量、硬度和高温强度不及铸铁。因此，对于改进后的设计方案主要围绕机体和气缸套的刚度进行。

3 评价指标

考虑到原机能正常工作，由此类推可知：若能保证改进后的变形小于改进前或与改进前保持同一水平，则新发动机亦能正常工作[6]。以缸套内孔同轴度和圆柱度作为算例。

3.1 气缸套内孔的评价指标

3.1.1 数据的采集

为了评价气缸套的变形，在气缸套的内孔选取43个横截面进行分析，分别编号1～43。采集输出数据过程通过ANSYS软件完成。

3.1.2 评价指标说明

找出43个已变形截面形心，并将找到的形心沿上述当量轴线方向投影，以使其在同一基准平面。把上述形心用一最小圆包络，这一最小圆的直径值即主轴承孔同轴度。按上述方法画出含所有投影点的最小外切圆与最大内切圆。主轴承孔的圆柱度即两圆半径差值。

3.2 气缸套内孔的整体变形

如图1所示：方案6中气缸套内孔在工作工况下的变形趋势相同。整体变形均呈花瓶状，缸套内孔底部横截面的变形呈椭圆状，其长轴与Z轴的夹角约为5°。缸套内孔顶部横截面的变形呈四边形，且四边形的四个角与缸盖螺栓夹角均约为45°。第1道气环以上部位由于气体力的作用而张开，在横截面35（第2道气环顶部）出现上部缩口，在横截面16出现下部缩口。这是由于这2个截面都位于刚度剧烈变化的交界处，无法膨胀，故出现相对内缩。工作工况下，方6中最小的内切圆直径均出现在横截面1，其值为69.86 mm，比公称直径小149.5µm。

3.3 气缸套内孔的圆柱度和同轴度分析

通过计算，方案2中机体所承受的爆发压力比方案1大0.5MPa，使缸盖螺栓伸长量略大。传到气缸套的气体压力减小，气缸套变形量减小。因此方案2中缸套内孔的同轴度、圆柱度均小于1方案1。

通过计算， 6方案中缸套同轴度由下降到5.06µm，同时圆柱度增大到44.64µm。查阅机械设计手册，尺寸50～80毫米，精度等级11级的圆柱度值为31～46µm，所以可知2方案和6方案的圆柱度精度为同一级。

4 结论

（1）气缸套内孔的整体变形均呈花瓶状，缸套内孔底部横截面的变形呈椭圆状且长轴与Z轴的夹角约等于5°。顶部横截面的变形呈四边形且四边形的四个角与缸盖螺栓之间的夹角均约等于45°。

（2）6方案缸套内孔的同轴度较1方案1小15.1%，圆柱度大37.1%。查阅手册得到，6方案中缸套内孔截面圆度略稍稍增大，但1方案和6方案的圆柱度在同一精度等级。所以，气缸套在经过曲轴箱优化后工况正常。

参考文献：

[1]董非，姜树李，郭晨海等.385柴油機机体组件有限元分析[J].小型内燃机与摩托车，2008（03）：43-46.

[2]张胜民.基于有限元软件ANSYS7.0的结构分析[M].北京：清华大学出版社，2003.

[3]曹茉莉，卜安珍，李德桃等.6110型柴油机机体组件的有限元分析[J].内燃机学报，2000（05）：448-453.

[4]姚晓兰，郭晨海，姜树李等.CF139型柴油机机体改进设计[J].机械设计与制造，2007（11）：38-39.

[5]付泽民，李延平，常勇等.ANSYS环境中柴油机曲轴静动特性的有限元分析[J].柴油机，2006（01）：34-38.

[6]马庆镇.基于有限元方法的YZ4DE柴油机气缸套变形分析研究[J].内燃机工程，2008（04）：59-62.

作者简介：徐一心（1987-），女，助教，研究方向：内燃机有限元分析。

推荐访问:气缸 柴油机 变形 有限元 分析