內(nèi)燃機(jī)缸蓋開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)工程探微范文

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1缸蓋CAE開(kāi)發(fā)體系與流程

圖1為缸蓋開(kāi)發(fā)CAE體系與流程圖，主要包括CFD、可靠性、鑄造、結(jié)構(gòu)NVH等四個(gè)技術(shù)領(lǐng)域；這些分析與優(yōu)化過(guò)程往往相互交織，互相提供輸出輸入的邊界條件、參數(shù)等；如燃燒室CFD、水套CFD計(jì)算為溫度場(chǎng)分析提供流體側(cè)熱邊界條件，溫度場(chǎng)分析為熱疲勞提供邊界條件，鑄造分析為強(qiáng)度、壽命分析提供殘余應(yīng)力輸入等。后文章節(jié)將分別對(duì)缸蓋主要CAE分析內(nèi)容進(jìn)行具體的描述。

2缸蓋CFD與流固耦合分析

對(duì)于缸蓋設(shè)計(jì)的CFD分析主要有:氣道的CFD分析，燃燒室的CFD分析及冷卻水套的CFD分析。流體通用控制方程為當(dāng)取不同值時(shí)上式就可以表達(dá)為連續(xù)方程、動(dòng)量守恒（NS）方程、能量守恒方程及湍流輸運(yùn)方程。上式各項(xiàng)從左到右依次為：非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，對(duì)流項(xiàng)，擴(kuò)散項(xiàng)及源項(xiàng)。

2.1氣道及燃燒室CFD分析

三維氣道及燃燒室CFD分析用于預(yù)測(cè)氣道及缸內(nèi)氣體流動(dòng)、噴霧及燃燒過(guò)程，為氣道及燃燒室形狀優(yōu)化、缸內(nèi)油氣混合過(guò)程改善、噴油器選

型及電控標(biāo)定參數(shù)優(yōu)化提供技術(shù)參考，對(duì)后期A樣機(jī)的燃燒性能開(kāi)發(fā)提供重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。氣道流動(dòng)計(jì)算采用Fluent軟件，分別計(jì)算不同氣門升程下的缸內(nèi)流動(dòng)分布形態(tài)并評(píng)價(jià)流量系數(shù)及滾流比等；圖3為缸孔36mm高度處橫截面的燃?xì)馑俣确治鼋Y(jié)果與粒子圖像速度測(cè)試（PIV）的對(duì)比情況。缸內(nèi)流動(dòng)、噴霧及燃燒計(jì)算采用Star-CD軟件，該CFD分析計(jì)算應(yīng)用的子模型見(jiàn)表1。通過(guò)計(jì)算可以得到不同曲軸轉(zhuǎn)角的進(jìn)氣及缸內(nèi)流動(dòng)分布、湍流運(yùn)動(dòng)、燃油噴射霧化、燃料濃度分布、當(dāng)量比分布、火焰?zhèn)鞑ァ⑷細(xì)鈮毫皽囟确植嫉?。圖4為在發(fā)動(dòng)機(jī)1500r/min@滿負(fù)荷工況下，缸內(nèi)燃?xì)鉁囟仍谇S轉(zhuǎn)角740度時(shí)刻分布以及仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的曲線對(duì)比。該項(xiàng)分析也為溫度場(chǎng)分析提供氣道及燃燒室側(cè)的熱邊界條件。2.2缸蓋水套CFD分析發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)冷卻液的流動(dòng)狀況直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、高溫零部件的熱負(fù)荷、發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量分配和能量利用。缸蓋水套分析必須與缸體水套、缸墊孔一起進(jìn)行，主要目的是評(píng)估缸蓋水套的流動(dòng)狀況、流量分布等。

三維的CFD計(jì)算需要從冷卻系統(tǒng)的一維仿真分析得到相關(guān)數(shù)據(jù)輸入（如額定轉(zhuǎn)速下，水套各進(jìn)、出口處的流量、壓力等數(shù)據(jù)）；計(jì)算介質(zhì)為冷卻液，需要輸入冷卻液隨溫度變化的屬性，如密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等。如圖5所示為額定工況下，缸蓋水套的冷卻液速度分布圖。一般要求消除流動(dòng)死區(qū)和速度梯度過(guò)大的區(qū)域；評(píng)估各缸流速分布的均勻性等。圖6為額定工況下缸蓋水套壁面換熱系數(shù)HTC的分布圖。對(duì)于缸蓋熱負(fù)荷較高的關(guān)重區(qū)域（如缸蓋鼻梁區(qū)、火花塞區(qū)）換熱系數(shù)一般都有最低數(shù)值要求。由于缸蓋不同區(qū)域溫度不同，CFD沸騰計(jì)算較困難，通常采用定常計(jì)算，并對(duì)分析結(jié)果做如下處理：通過(guò)流場(chǎng)分布可以找出那些臨界區(qū)域，也就是那些熱負(fù)荷高但流速比較緩和的區(qū)域。通過(guò)優(yōu)化這些區(qū)域冷卻液的流動(dòng)，保證產(chǎn)生的氣泡能被及時(shí)傳送出去。通道狹窄的區(qū)域，為了保證氣泡的傳輸，局部流速應(yīng)更高。

2.3流固耦合溫度場(chǎng)分析

流固耦合分析以及3.1節(jié)的高周疲勞計(jì)算一般都在整機(jī)狀態(tài)下(包括缸體、缸墊、連接螺栓等)進(jìn)行。首先，提取有限元實(shí)體網(wǎng)格的燃?xì)鈧?cè)、水套側(cè)面網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)；然后，將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CFD軟件，通過(guò)對(duì)CFD計(jì)算結(jié)果的時(shí)效平均映射得到初始流固耦合壁面的流體溫度與換熱系數(shù)。對(duì)于缸蓋水套的換熱系數(shù)的大小主要取決于壁面附近的流體邊界層性質(zhì)。在壁面溫度較低而不會(huì)出現(xiàn)氣泡或沸騰時(shí)，其換熱性質(zhì)可參照傳熱中的一般湍流放熱來(lái)進(jìn)行分析和估算；這時(shí)的情況是表面水流速度愈高邊界層厚度愈小，放熱系數(shù)值越大。但當(dāng)壁面溫度及水溫較高而接近水的飽和溫度時(shí)，其對(duì)流換熱性質(zhì)就開(kāi)始變化而具有沸騰放熱的特征。由以上基本理論可知：對(duì)于缸蓋流固耦合溫度場(chǎng)分析，需要對(duì)水套CFD初始熱邊界的換熱系數(shù)進(jìn)行修正，修正公式為。另外，由于水套CFD計(jì)算時(shí)初始壁面溫度為假設(shè)值；所以，一般需要對(duì)流固耦合邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行多次地循環(huán)映射，直到最后兩次迭代運(yùn)算的溫度場(chǎng)差異小于5%左右即可。機(jī)體溫度是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能能否保持正常且可靠工作的核心參數(shù)之一。缸蓋底板中心區(qū)一直受到燃?xì)獾募訜?，工作溫度較高且不均勻性較大。圖8為缸蓋在額定工況下的溫度場(chǎng)分布；與測(cè)試結(jié)果的差異小于5%。一般根據(jù)缸蓋材料的實(shí)際高溫力學(xué)特性，確定最高溫度上限值。圖9為排氣門導(dǎo)管區(qū)域局部溫度圖；由于在A樣機(jī)試驗(yàn)階段出現(xiàn)排氣門導(dǎo)管磨損超標(biāo)的狀況，對(duì)該處溫度進(jìn)行了重點(diǎn)的關(guān)注與排查；如排氣門導(dǎo)管上部或下部溫度過(guò)高，可能會(huì)帶來(lái)由于耐磨性下降或潤(rùn)滑不良導(dǎo)致的磨損問(wèn)題。該排氣門為中空充鈉設(shè)計(jì)，液態(tài)鈉的熱導(dǎo)率參數(shù)設(shè)置對(duì)導(dǎo)管溫度計(jì)算結(jié)果影響較為明顯。

3缸蓋強(qiáng)度CAE分析

3.1缸蓋高周疲勞分析

缸蓋高周疲勞分析是指在相對(duì)穩(wěn)定的高溫狀態(tài)下（一般取額定工況，忽略表面溫度的高頻波動(dòng)），以各缸燃燒壓力沖擊導(dǎo)致的應(yīng)力幅值為主要參數(shù)進(jìn)行的安全強(qiáng)度評(píng)估；主要步驟如下：步驟一：施加裝配載荷：包括螺栓預(yù)緊力、氣門座圈過(guò)盈、氣門導(dǎo)管過(guò)盈量等，以及位移約束等；步驟二：對(duì)有限元模型映射2.3節(jié)的溫度場(chǎng)結(jié)果，熱應(yīng)力與步驟一裝配應(yīng)力的合應(yīng)力作為高周安全系數(shù)計(jì)算的常應(yīng)力工況；后序的步驟是:分別對(duì)各缸的燃燒室面施加最大燃?xì)獗l(fā)壓力（設(shè)計(jì)階段一般采用熱力學(xué)模擬缸壓數(shù)據(jù)）；圖10為模擬與實(shí)測(cè)的額定轉(zhuǎn)速缸壓曲線圖，可見(jiàn)兩者十分相近，模擬缸壓在峰值處略高于實(shí)測(cè)缸壓）。根據(jù)各缸爆壓工況的應(yīng)力結(jié)果，合成出缸蓋在工作狀態(tài)下的平均應(yīng)力及應(yīng)力幅值。最后根據(jù)以上計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果，再應(yīng)用FEMFAT軟件的BASIC模塊，輸入缸蓋材料的力學(xué)性能參數(shù)（包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切等狀態(tài)），并選擇溫度、粗糙度、尺寸等計(jì)算因素，即可計(jì)算出缸蓋的高周疲勞安全系數(shù)分布圖（圖11，最小安全系數(shù)為1.59，位于中間缸燃燒室的背部）。

3.2缸蓋低周疲勞分析

低周疲勞也稱應(yīng)變疲勞，主要采用應(yīng)變作為其疲勞性能的控制參量。對(duì)于缸蓋低周疲勞分析，一般是參照發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊循環(huán)試驗(yàn)工況進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，以溫度為變量的可靠性分析手段。首先，分別計(jì)算在怠速工況（或常溫）以及額定轉(zhuǎn)速（或最高轉(zhuǎn)速）工況下的溫度場(chǎng)分布；然后，再計(jì)算在溫度循環(huán)波動(dòng)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變變化情況；然后，根據(jù)應(yīng)變幅值結(jié)果以及材料的應(yīng)變-壽命（E-N）曲線，評(píng)估出結(jié)構(gòu)能夠受的循環(huán)次數(shù)（根據(jù)循環(huán)周期，即可推算出壽命時(shí)間）。材料的高溫力學(xué)性能參數(shù)對(duì)于精準(zhǔn)的低周疲勞分析是十分關(guān)鍵的；主要需要以下材料數(shù)據(jù)：彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變曲線（圖12），熱膨脹系數(shù)、循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)等。大多數(shù)金屬材料，在橫幅對(duì)稱應(yīng)變循環(huán)數(shù)達(dá)到一定次數(shù)后，應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定，形成穩(wěn)態(tài)滯后環(huán)。所以，對(duì)于缸蓋低周疲勞分析，一般要進(jìn)行20次以上的冷熱循環(huán)工況計(jì)算，輸出結(jié)果才會(huì)趨于穩(wěn)定。圖13為缸蓋低周疲勞計(jì)算的冷熱工況循環(huán)示意圖，圖中Rated表示額定工況轉(zhuǎn)速，Idle為怠速工況。由于缸蓋有限元模型規(guī)模較大（單元節(jié)點(diǎn)數(shù)高達(dá)60-100萬(wàn)個(gè)），對(duì)整體模型開(kāi)展低周疲勞計(jì)算周期會(huì)太長(zhǎng)；為此，對(duì)于缸蓋低周疲勞計(jì)算一般采用子模型方法（ABAQUS軟件的SUBMODEL功能），實(shí)踐表明該方法能提高計(jì)算效率200%左右。對(duì)于缸蓋燃燒室區(qū)域，其溫度、載荷波動(dòng)最大，也是缸蓋結(jié)構(gòu)最為關(guān)重的區(qū)域；圖14為本次低周疲勞分析截取的缸蓋子模型。表2為圖14中兩處標(biāo)注的關(guān)重區(qū)域（火花塞處①、噴油器處②）低周疲勞壽命分析評(píng)估結(jié)果；通過(guò)該表可知，該缸蓋的循環(huán)次數(shù)Nf滿足工程設(shè)計(jì)要求（對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)300h的冷熱沖擊試驗(yàn)工況）。

4缸蓋鑄造CAE分析

缸蓋鑄件的許多鑄造缺陷是由于澆注系統(tǒng)和工藝的不完善導(dǎo)致的。鑄造過(guò)程的金屬液充型階段對(duì)鑄件質(zhì)量有很大的影響，卷氣、夾渣、澆不足、冷隔等嚴(yán)重的鑄造缺陷都發(fā)生在充型階段。本文在缸蓋開(kāi)發(fā)早期，通過(guò)對(duì)其毛坯進(jìn)行鑄造充型CAE分析，預(yù)測(cè)充型階段金屬液在可以對(duì)鑄造澆道、冷卻系統(tǒng)等進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化，以及預(yù)測(cè)缺陷發(fā)生、殘余應(yīng)力等。本文鋁合金缸蓋產(chǎn)品采用重力傾轉(zhuǎn)鑄造工藝，鑄造模具設(shè)備如圖15所示；表3為鑄造分析的主要工藝參數(shù)。本文的鑄造CAE分析采用MAGMA軟件，F(xiàn)DM模型網(wǎng)格數(shù)達(dá)到1440萬(wàn)。高溫鋁液被假設(shè)成不可壓縮的牛頓流體，可用連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程描述。充型過(guò)程金屬液自由表面問(wèn)題的處理采用體積函數(shù)法圖16為2.5s時(shí)刻鋁液的流速圖；通過(guò)流速分布來(lái)評(píng)判流動(dòng)形態(tài)狀況（如層流、紊流等）、對(duì)砂芯的沖擊以及可能發(fā)生的卷氣情況。圖17為2.5s時(shí)刻鋁液溫度分布圖。通過(guò)鑄造CAE多方案的比對(duì)分析，對(duì)澆道長(zhǎng)度、澆注起始角度、溶液流入口位置等方面提出了有效的優(yōu)化建議。

5缸蓋結(jié)構(gòu)NVH分析

缸蓋結(jié)構(gòu)不僅要滿足強(qiáng)度要求，也要達(dá)到一定的剛度指標(biāo)，這兩個(gè)方面相互影響；在開(kāi)發(fā)早期可通過(guò)仿真手段進(jìn)行評(píng)估與優(yōu)化。缸蓋結(jié)構(gòu)NVH分析主要包括自由模態(tài)分析與頻響分析。缸蓋自由模態(tài)分析主要關(guān)注第一階扭轉(zhuǎn)頻率，并與對(duì)標(biāo)機(jī)缸蓋進(jìn)行對(duì)標(biāo)。本文缸蓋初始結(jié)構(gòu)的第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為1594Hz；通過(guò)增加火花塞安裝凸臺(tái)與螺栓安裝凸臺(tái)的斜向連接筋措施優(yōu)化（圖18），第一階扭轉(zhuǎn)頻率提高至1880Hz，略高于對(duì)標(biāo)機(jī)。缸蓋頻響分析是對(duì)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)加載點(diǎn)分別施加燃燒爆發(fā)壓力、凸輪軸承力和氣門落座力（采用企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)）等載荷，計(jì)算得到速度級(jí)等響應(yīng)結(jié)果。圖19為缸蓋頻響分析加載點(diǎn)位置示意圖；圖20為缸蓋頻域響應(yīng)結(jié)果與主要扭振模態(tài)振型的關(guān)聯(lián)示意圖；圖21為缸蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的1/3倍頻程速度級(jí)響應(yīng)曲線對(duì)比，從圖中可以看出在能量最大頻段（3500-4000Hz），優(yōu)化后缸蓋的速度級(jí)響應(yīng)值降低了8.3dB。

6結(jié)論

（1）燃燒CFD以及水套CFD計(jì)算為溫度場(chǎng)分析提供流體側(cè)熱邊界；考慮冷卻液沸騰換熱等因素，通過(guò)多輪流固耦合迭代運(yùn)算，得到精準(zhǔn)的溫度場(chǎng)結(jié)果（與測(cè)試結(jié)果誤差小于5%）。（2）缸蓋的高周疲勞安全系數(shù)以及低周循環(huán)壽命結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求；通過(guò)NVH分析，對(duì)缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剛度優(yōu)化。（3）鑄造CAE分析對(duì)缸蓋澆道系統(tǒng)提出了有效的改進(jìn)措施。（4）綜合缸蓋多領(lǐng)域仿真理論與實(shí)踐提出了“缸蓋開(kāi)發(fā)CAE仿真體系與流程”；證明該套仿真方法可有效地提高企業(yè)的自主研發(fā)水平。

作者：楊懷剛胡鐵剛詹樟松余訓(xùn)蔣樹(shù)輝鄭建軍賈正鋒楊勇徐熹郝濤單位：重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司動(dòng)力研究院