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氣缸蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中受到熱負(fù)荷和機(jī)械載荷的雙重作用，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，對氣缸蓋強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的必要技術(shù)途徑。
為評估國內(nèi)某汽車企業(yè)開發(fā)的小型汽油機(jī)氣缸蓋強(qiáng)度，對該缸蓋進(jìn)行了額定工況下的有限元結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。
為了保證較高的計(jì)算分析精度，使分析結(jié)果接近于發(fā)動(dòng)機(jī)工作的實(shí)際情況，建模過程中對氣缸蓋的主要幾何尺寸不做任何簡化，水腔、氣道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)均按照缸蓋的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建模，確保模型能夠真實(shí)反映缸蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。采用CATIA軟件建立氣缸蓋實(shí)體模型，見圖，所研究的氣缸蓋為一款直列四缸四氣門小型汽油機(jī)缸蓋。
考慮到氣缸蓋各缸結(jié)構(gòu)及其所受載荷、約束的相似性，并考慮減少計(jì)算工作量，可只對某一缸進(jìn)行有限元分析，其結(jié)果可以代表缸蓋整體的應(yīng)力分布狀況。為反映氣缸蓋各缸之間的相互影響，采用由一個(gè)中間整缸和其相鄰的兩個(gè)半缸組成的缸蓋幾何模型。同時(shí)，對缸蓋上一些幾何尺寸較小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而又遠(yuǎn)離氣缸蓋高應(yīng)力區(qū)(燃燒室火力而)的、對應(yīng)力分析結(jié)果影響很小的細(xì)微結(jié)構(gòu)(螺孔、導(dǎo)角等)進(jìn)行刪除。
采用Hypermesh軟件對氣缸蓋模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分見圖。主要需要考慮以下三方面：
a.單元類型選擇。氣缸蓋結(jié)構(gòu)特征多，模型復(fù)雜，只能選用四面體單元。由于一階單元精度較低，采用10節(jié)點(diǎn)四而體二次單元。
b.單元密度設(shè)置。中間缸是有限元分析的重點(diǎn)區(qū)域，網(wǎng)格劃分時(shí)該區(qū)域單元密度應(yīng)較大，網(wǎng)格細(xì)密，而左右兩側(cè)半缸的單元密度應(yīng)較小。同樣，燃燒室周邊區(qū)域是可以預(yù)知的高應(yīng)力區(qū)域，是氣缸蓋強(qiáng)度失效最可能發(fā)生的區(qū)域，因此是研究重點(diǎn)，該區(qū)域單元密度應(yīng)設(shè)置為較大。而對于遠(yuǎn)離燃燒室的非敏感區(qū)域，宜采用較疏的單元密度。
c.單元質(zhì)量控制。通過在Hypermesh軟件中設(shè)置一系列單元質(zhì)量參數(shù)值保證生成的單元質(zhì)量。
通過給定氣缸蓋傳熱邊界條件(缸蓋各區(qū)域換熱系數(shù)和介質(zhì)溫度)的方法計(jì)算氣缸蓋在額定工況下的穩(wěn)態(tài)溫度場。
熱邊界條件中，介質(zhì)溫度和除燃燒室火力而之外區(qū)域的換熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。燃燒室火力面的換熱系數(shù)通過多次試算調(diào)整，使得燃燒室多個(gè)測點(diǎn)處溫度的計(jì)算值與實(shí)測值相符后得出。
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