有限元技术视角下的汽车发动机密封性能研究

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　　摘要：选用基于ANSYS Workbench的有限元分析平台，主要针对某型汽车的发动机系的结构的密闭性进行了重点研究，其中具体涉及发动机气缸垫、气缸盖以及其气缸体的组合结构，阐述了研究过程中所涉及的重要思想和关键技术，并通过ANSYS Workbench的相关有限元的解算结果为发动机密闭性的提升和优化提供意见，而后对优化之后的性能再次进行解算和检验。通过分析检验结果，发现在对发动机密闭性进行优化的时候，可以从其汽缸垫的压纹结构和相关起联结作用的螺栓着手进行优化和调整，达到了提升发动机密封性能的目的。
　　关键词：有限元;汽车发动机;密封性能;优化调整中
　　中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.15.093
　　0前言
　　近年来，对汽车的经济性、环保性，特别是汽车发动机的动力性能的研究成为比较热门的研究方向，但是在具体的研究过程中，少有人关注汽车发动机的密封性能相关方面的研究。很多部门为了处于研究成本的考虑，也仅仅停留在对气缸垫密闭性能的初步讨论方面，对于如何改进和解决汽车发动机的密闭性这一点上没有给出有参考价值的研究结论和依据，更没有给出经过密闭性检验的研究结果。基于此，本文对汽车发动机组合结构的密封性能进行重点研究，研究的方法主要是运用试下热门的有限元技术对可能影响到汽车发动机的密封性能的影响因子进行提取分析和进一步优化，并结合优化措施和结果对其进行相关方面的可靠性检验，对发动机密封性能数值模拟研究的关键方法和重要思想进行重点阐述，以期对我国国内汽车发动机密封研究工作以及相关行业的发展提供有意义的探索。
　　1稳态研究方面
　　1.1网格划分
　　本文研究对象为汽车发动机组合结构，由于现代汽车的发动机的构建和组合结构较为复杂，并且具体的發动机构件和组件的外部特征找不到较为明显的规律性，因此在研究开始时需要进行发动机组件的组合结构设计，在此选用网格处理的方式，因此研究初期的重点是要进行科学准确的网格处理方案设计，具体的设计方法是运用分割法，在常用的四面体网格基础上进行再分割，分割过程中重点突出对各组合零件互相接触的表面、如何准确定义接触表面的边界条件、分析提出影响最后解算结果的具体结构特征、选用较小的结构特征对四面体进行相关的网格加密处理以及选用网格稀疏处理对相对不重要的结构特征进行处理。
　　1.2结构性接触问题
　　对接触对进行设置，系统会自动在气缸盖、气缸垫及气缸体之间生成相应的接触对，将数模导入ANSYS Workbench 中，首先删除一些可能对解算结果产生干扰的接触以及一些没有价值的接触对，从而保证解算结果的准确性和可靠性。在选择具体的接触类型时，本文选择了适用性较广的线性接触对Bonded，以适应在结算和分析过程中可能由于接触面较大、发动机结构复杂以及不易收敛、计算量大带来的分析和解算难度。而后通过反复不断的测试以及修正，确定本文的计算过程中选用接触刚度的指数为0.6。
　　1.3边界条件的判断
　　在本文的解算过程中，解算结果的准确性直接受到汽车发动机相关组合结构的载荷以及边界位移的相关约束条件准确性的直接影响。为了使发动机组合结构的机体底部可以被完全固定，选择在其底面定义了全位移约束;为了能够消除发动机组合结构机体的切向滑移的影响，选择在其2个侧面分别定义了相应的水平位移约束;同时，本文提到稳态研究，主要的研究内容和涉及范围主要是机械载荷，而机械载荷则其主要是各冲程的爆破压力以及螺栓的预紧力。
　　1.4结果和求解
　　求解计算时，由于发动机组合结构较复杂，当出现计算结果不能收敛的情况，首先要进行划分网格的方法、尺寸以及相关度等的调整;由于时间步长越小越能保证计算结果的收敛性，所以还要考虑对时间步长进行调整。 除此以外，在具体的求解发动机气缸垫的表面接触压力时不考虑设置发动机各冲程的爆破压力，以便于对比气缸垫的表面接触压力与实际测试过程中的面压实验结果。
　　计算结果表明，当发动机缸口四周的全压纹以及螺栓孔附近半压纹的局部位置应力较大时，能够导致密封接触面的变形出现不均匀的情况，从而会严重地影响到汽车发动机密封性能。因此在优化调整的过程中应当针对其关键影响因素进行改进。
　　2发动机密封性能影响要素的优化
　　影响发动机密封性能的最关键因素是气缸垫的压纹结构和连接发动机组合结构的螺栓预紧力，因此本文也着重研究这两方面的优化调整。为了确保结果的准确性，对影响发动机密封性能的因素进行调整和优化，可以选用插值法进行，具体的方法是差值一些光滑程度高的曲面以及曲线，由于三次样条插值具有相对良好的稳定性以及收敛性，本文依托Matlab2010b平台选用常用的三次样条插值法进行优化。
　　2.1气缸垫压纹的优化改进研究
　　对气缸垫全压纹结构进行优化调整，将全压纹的结构参数，以及其对应的相关数据模型正确导入到AN- SYS Workbench中进行解算，从而获取相应的发动机气缸垫的纵向变形结果以及其结果的计算云图。通过计算，当汽车发动机气缸垫纵向的变形量最大的时候，相应的气缸垫的全压纹宽度约为1.83mm，也就是约为0.188mm，并且此时的变形量比原始设计高度要小，因此根据Matlab中的插值解算的预估结果，我们可以认为该全压纹结构对于提高发动机密封性能是有效的。
　　2.2螺栓预紧力的结构改进
　　汽车发动机的组合结构的联结通常来说由10个高强度螺栓完成，这10个螺栓的规格是公制M10，这种型号的螺栓所能提供的预紧力最大为49333N，因此在调试的过程中施加给每个螺栓的预紧力必须低于49333N且在46667N附近。同时，在调整和改变螺栓的预紧力的过程中，可能会导致发动机气缸垫产生一些类似翘曲变形的不良现象，为了，避免这个消极影响，在实验过程中，要注意对称的位置上调整相应螺栓预紧力，最终实现对发动机各螺栓预紧力的全面调控。 　　3热流固多物理场耦合相关研究
　　首先根据数模的具体结构和实际工况进行截取处理，在实际情况中，由于实验组件承担的机械载荷以及热载荷具有一定的对称性，因此可以在截取时选择沿着其3缸和2缸的中心线进行，截取完成之后保留有1缸和2 缸一侧，而后，在确保不影响最终解算结果准确性的前提下，可以对发动机组合机构中的一些圆角、倒角以及一些工艺特征等进行一定的变换和简化处理。
　　3.1流体场的求解和解算
　　在具体的实验和解算过程中，我们主要考虑两个方面：水套内壁和其中的冷却液产生的热对流、机体周围环境与其外表面的热对流。而关于水套内壁和其中的冷却液产生的热对流的研究中，可以选用自动传递热的方式实现温度由冷却液向机体的传递。 在机体周围环境与其外表面的热对流的研究中，则也可以采自动传递热的方式实现温度由机体到周围环境中的传递。
　　3.2瞬态温度场的解算
　　通过3.1步骤的计算，可以将其流体场的解算结果导入到瞬态温度场中，并作为一种边界条件，而后再根据发动机燃烧室内的壁面所接触部分温度与相应的对流热的系数曲线来进一步确定解算过程中需要的具体对流换热系数值和温度值。实验中，水套的冷却液发挥降温的作用，控制了燃烧室的温度变化幅度和扩散传播，有较好的温控和降温的效果，整体温度无较大波动。
　　3.3瞬态结构场的解算
　　通过3.1步骤的计算，可以将其解算结果导入到瞬态结构场的相关模块中，作为一种边界条件，而后在发动机的机体的截取面上定义相应的对称位移约束，再根据相关的发动机示功图，确出定发动机各冲程的运行时间以及与之相对的爆破压力。进而，获得涵盖气缸垫瞬态温度场、流体场、气缸垫的瞬态结构场和多物理场耦合等多种结果的变形计算结果及其云图。
　　4总结
　　本文的研究面向实际生活中汽车发动机密封领域的实际情况和问题，灵活运用新兴的有限元分析技术针对影响发动机密封性能的关键因素进行分析，在分析过程中依托Matlab2010b平台选用常用的三次样条插值法进行优化，并研究提出了运用多物理场叠加而来的计算结果优化方法进行可靠性检验的办法，最终通过解算较为准确地得出了更适合汽车发动机密封性能提升的相应气缸垫压纹结构类型设计以及其连接螺栓预紧力的值域范围，为汽车发动机密闭领域研究提供了有意义的探索。
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