汽车发动机缸体扩缸前后静强度和模态分析

    0 引言

    发动机缸体是发动机的主体结构，其可靠性直接影响着整个发动机的性能。缸体的变形和静强度分析考核缸体在极限工况下的刚度和强度问题。发动机缸体在工作过程中受力很复杂，除了燃气压力外，还要受到来自曲柄连杆机构的往复运动惯性力和旋转运动惯性力，还有缸体与缸盖之间的连接与密封性等边界条件对发动机的性能影响很大。

    通过查阅资料，确定本课题研究的原发动机缸体为dCIll大马力发动机缸体，在查阅获得其相关数据资料后，对其扩缸前后缸体，在极限工况时的静强度进行有限元分析，得出了缸体在极限工况下的变形和应力分布情况。

    1 课题来源

    1.1 国外研究现状

    在国外，由于计算机、内燃机设计技术以及有限元分析软件等各个方面条件都比较成熟，很早就开始了有限元技术的研究，特别是随着计算机技术及有限元理论及手段的发展，以有限元为代表的CAE技术在各技术部门起着月来越重要的作用，一些企业专门成立了CAE研发中心，早在八十年代就对内燃机机体进行了全面细致的CAE分析。德国大众公司M.Birth和B.Papez对某直列四缸水冷柴油机机体作了静刚度和模态分析，并在动态分析基础上预估了机体表面辐射的噪声计算结果表明，与实测误差只有5%-10%，可见比较精确，最后还提出了机体减振降噪的措施；比利时LMS公司、奥地利AVL公司将有限元分析技术应用到实际工程设计中，借助其强大的试验能力，在分析确定缸体激励力方面取得了重大进展，使得通过计算机模拟得到动态响应的结果同实际情况相当接近;对机体动态特性的分析发现，机体的振动模态主要分为三类：(1)主模态即整体运动模态，包括扭转和弯曲振动。(2)裙部模态，机体底部的显著振动。(3)局部模态，其中只有垂直于内燃机表面的振动的辐射噪声。除此之外世界上其他的主要柴油机生产厂商如CUMMINS、MTIJ、TOYOTA、NISSAN等广泛开展了柴油机零部件的有限元分析，分析的零件小道橡胶密封圈，大到整个机体、缸盖，涵盖了所有需要分析的零件。

    1.2 国内研究现状

    在国内，对机体进行CAE分析是最近十几年才慢慢发展并成熟起来的。最初，由于国内计算机硬件条件和有限元分析软件的限制，对机体一般只能做二维有限元分析，但这种方法并不能反映出机体的刚度水平和动态特性，误差较大。随着近几年计算机水平的发展以及国外优秀有限元软件的引进，开始了机体有限元分析的三维静态分析。随着对发动机机体的深入研究分析以及许多实践证明，绝大多数发动机机体都有足够的强度，但刚度往往不足，由此导致机体振动强烈，机体外表面辐射噪声严重。因此对机体由有限元静态分析转向了动态特性分析。