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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第12卷第4期2005年8月工程设计学报Journal of Engineering DesignVol.12 No.4Aug.2005收稿日期:2005203214.作者简介:高斌(1977-),男,湖南常德人,博士生,从事有限元分析、CAD&CG及优化设计等研究,E2mail:gaobin-.发动机气缸体螺纹联接强度有限元分析高斌1,2,宋小文1,卢斌1,郝勇刚1,胡树根1,俞小莉1(1.浙江大学 机械与能源工程学院
2、,浙江 杭州310027;2.湖州师范学院 信息工程学院,浙江 湖州313000)摘要:针对发动机设计中螺纹联接强度计算的问题,采用有限元通用程序ABAQU S?STANDARD,研究气缸体螺纹区域强度准确计算的方案,即通过简化后的装配体模型计算螺栓在工作载荷下的受力,然后将获得的螺栓受力做为载荷边界条件施加在带螺纹的局部模型中,计算螺栓和缸体螺纹区域的应力网格划分时,在局部模型中将缸体简化,并将螺柱分为两部分,之后皆用六面体单元进行网格划分以减小计算量、提高准确性 最后通过实例对某气缸体螺纹区域在预紧状态、峰值燃烧压力作用下的应力进行计算与分析,验证该计算方案的可行性该方案为今后发动机的螺纹
3、联接设计和计算提供一条可行的路径,且对相关的工程实际应用具有很强的指导意义关键词:气缸体螺纹;强度;非线性;有限元;ABAQU S中图分类号:TK422.4文献标识码:A文章编号:10062754X(2005)0420227205FEA of screw thread connection strength in engine cylinder blockGAO Bin1,2,SON G Xiao2w en1,LU Bin1,HAO Yong2gang1,HU Shu2gen1,YU Xiao2li1(1.College ofM echanical and Energy Engineering
4、,Zhejiang U niversity,Hangzhou 310027,China;2.College of Infomation Engineering,Huzhou Teachers College,Huzhou 313000,China)Abstract:A im ing at the calculating problem of screwthread connection strength in enginedesign,by adopting FEA application ABAQU S?STANDARD,a scheme for accurately computingst
5、rength of screw thread area in cylinder block is studied,which means to compute bolt bearingforces under working load through simplified assembly model.The acquired bolt bearing force,regarded as load distribution,w ill be applied to the localmodelw ith thread to compute the threadstress distributio
6、n around the bolt and cylinder block.In meshing scheme,the simplified cylinderblock and bolt,divided into two parts in local model,were meshed by hexahedral elements tosave computation cost and improve computation accuracy.Finally,stress distribution for threadin engine cylinder block in pre2tension
7、 load case and peak2combustion2pressure load case arecalculated and analyzed to verify this method.It provides a way for design and calculation ofthread connection in engines and gives reference to the practical application of related project.Key words:cylinder block thread;strength;nonlinear;finite
8、 element;ABAQU S安全、环保、节能是21世纪汽车设计的主要发展方向,发动机作为汽车的心脏,对汽车的发展具有重要作用一个综合指标好的发动机,不仅要求具有低的燃油消耗和排放污染以及高的可靠性,同时要求更小的体积和重量 目前一些发动机厂家通过对缸盖、气缸体等重要结构件采用铝合金材料制造,以降低发动机的重量铝合金材料具有重量轻、导热性好的优点,但其机械性能与灰铸铁相比略差,因此在设计时,需采用一些特殊的设计方法,以保证其可靠性强力丝对的螺纹联接是发动机中重要联接方式,它的可靠性直接关系到内燃机的工作可靠性,是发动机设计中的一个基本问题对于螺栓联接件的强度、刚度进行计算一般有两种方式 一种
9、是通过经验公式计算螺栓的受 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/力2,3,这种计算方法不能反映螺栓联接件的应力分布状况;另一种是通过有限元的方法47来计算和分析螺栓联接件的应力分布状况 目前在利用有限元方法分析、模拟螺栓联接件的受力时,大多数是采用简化螺栓模型的方法,即采用梁单元模拟实际的螺栓,并采用耦合自由度的办法来体现螺栓的连接作用,这样可以大量节约计算机资源,但在自由度耦合处附近的应力、应变分布计算结果不准确;还有一种是按照实际尺寸做出螺栓的模型,用连
10、续介质单元进行网格划分,这样可以使有限元模型准确,精确得到螺栓零件的应力、应变,但常规的网格模型处理方法导致模型自由度过多,造成计算机资源的巨大浪费 而且,就目前已发表的文献来看,还没有文献对气缸体螺纹的强度进行分析,而气缸体螺纹的强度是螺栓联接结构优化设计中最关心的问题之一,气缸体螺纹的强度计算涉及几何非线性和接触非线性,以前由于计算资源和非线性有限元理论的限制,气缸体螺纹强度的研究一直没法进行,现在这两方面都有非常大的进展,因此,本文将以某发动机气缸体螺纹联接为例,利用具有非线性分析能力的商用有限元分析软件ABAQU S,研究气缸体螺纹区域应力的计算方法1几何模型的建立为计算气缸体螺纹在峰
11、值燃烧压力作用下的应力分布,根据某发动机的结构特点(单缸结构对称),将其几何模型简化为1?4缸,其装配几何模型如图1所示,图1左图上部表示缸盖,下部表示缸体图1装配体几何模型Fig.1A ssemble geometricalmodel由于装配体模型涉及太多的接触约束且带有复杂的螺纹,导致直接计算该装配体螺纹的接触应力非常困难 为此,本文将计算过程分为两步:通过简化后的装配体计算两个螺栓分别在预紧状态和峰值燃烧压力作用下的受力情况;然后将获得的螺栓受力做为载荷边界条件施加在带螺纹的局部模型中,分别计算两个螺栓和缸体的螺纹接触应力情况1.1装配体几何模型简化在装配体模型中,将通过施加预紧力的方式
12、模拟螺栓的联接作用,所以将缸盖顶部的螺母、垫圈与双头螺柱做成一体,形成一个有头的螺栓;去掉双头螺柱和气缸体各自下端的螺纹,如图2左图所示图2网格模型(1)Fig.2Element model(1)1.2带螺纹的局部几何模型构建由于只是分析气缸体螺纹区域的应力分布,为了便于高质量地划分网格,将模型中气缸体部分可以在保留内螺纹的情况下,简化成一个如图3中图所示的形体;同时将两个双头螺柱上部的螺纹部分去掉,然后将两螺杆与各自的简化缸体进行装配,得到螺纹局部几何模型,如图3右图所示为网格装配模型图3网格模型(2)Fig.3Element model(2)2网格模型的建立划分网格是建立有限元模型的一个重
13、要环节,它要求考虑的问题较多,工作量较大划分网格的形式对计算精度和计算规模将产生直接影响 实体单元的网格形式有四面体、五面体、六面体,从计算精度和计算效率来说,六面体的最高,五面体和四面体次之对于简化后装配体模型中的各零件,可以全部用六面体单元进行网格划分,这样可以减少单元数目,提高计算效率和计算精度划分后的网格模型如图2中的左图所示822工程设计学报第12卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/对于局部模型中的螺栓网格划分,由于带有复杂的螺纹形状,直接划分
14、螺栓只能以四面体单元进行网格划分 且由于螺纹尺寸相对于整个螺栓来说比较小,为在螺纹附近得到比较好的计算精度,必然导致螺栓网格数量的大大增加,将近6万多个单元;螺纹的复杂几何形状会导致螺纹附近的四面体单元质量比较差,计算精度大打折扣,计算结果的可靠性也就不能保证为减少计算量同时又比较准确地得到螺栓螺纹附近的应力分布,将整个螺栓分为两部分进行网格划分,即下部的螺纹部分(图3中的左图)、中间的螺杆部分(图2中的右图)螺柱分为两部分后,都可以使用以六面体为主的网格划分,且螺纹部分可用较密的网格划分,螺杆可用较稀疏的网格进行划分,然后通过在边界条件中施加约束(粘结)关系将两个网格模型连在一起,组成整个螺
15、柱的网格模型(图2中的中图)这样的网格划分方案不仅导致了网格数量的大量减少(14 000多个单元),而且螺纹部分用六面体进行网格,保证了网格质量,从而提高该区域的计算精度,因此也就保证了最终计算结果的可靠性对于局部几何模型中带螺纹的气缸体,可直接用六面体为主的网格进行划分(图3中的中图),最后将螺柱网格模型和缸体网格模型装配在一起,得到带螺纹的局部装配体网格模型(图3中的右图)3边界条件的施加3.1零件的材料性能气缸体、缸盖材料:铝合金,材料密度为2.6103kg?m3,弹性模量为68.7 GPa,泊松比为0.3;螺柱材料:42CrM o,密度为7.82103kg?m3,弹性模量为206 GP
16、a,泊松比为0.283.2装配体模型约束边界条件在缸盖和气缸体的两个端面施加对称边界条件,气缸体下端固定,在两个螺母的下表面分别与缸盖上表面施加接触约束,缸盖下表面与缸体上表面施加接触约束,摩擦系数为0.153.3装配体模型载荷边界条件3.3.1预紧状态载荷条件在现实中螺纹的预紧力是通过预紧力矩来控制的,由于螺栓拧紧后螺杆部分只受拉力作用,为简化计算,将预紧力矩转化为预紧拉力按照ABAQ YS中施加预紧力的方式在两个螺柱的下端施加预紧力,方向竖直向下(粗螺柱预紧力为105 kN,细螺柱预紧力为55 kN),模拟预紧工况3.3.2峰值燃烧压力状态载荷条件在ABAQU S中修改两螺柱预紧力的参数设
17、置,以使预紧后的螺柱能在其他外载荷的作用下真实变形;再在缸盖下表面施加15.5M Pa的峰值燃烧压力,模拟预紧载荷和峰值燃烧压力的叠加作用3.4局部模型约束边界条件将气缸体下部固定,在两螺柱的外螺纹面和气缸体对应的内螺纹面之间施加接触约束,摩擦系数为0.15;本文中的螺柱是分为两个部分进行网格划分的,因此在每根螺柱的螺杆(图2右图)和螺纹(图3左图)部分的接触面之间施加tie(粘结)约束3.5局部模型载荷边界条件3.5.1预紧状态载荷条件在两个螺柱的上端分别施加拉力(粗螺柱预紧力为105 kN,细螺柱预紧力为55 kN),方向竖直向上,模拟预紧工况3.5.2峰值燃烧压力载荷条件由于在装配体模型
18、中已经计算得到两个螺柱在两种状态下的应力分布(图4),两个螺柱的预紧应力分别为:粗螺柱480M Pa,细螺柱620M Pa;在预紧载荷和峰值燃烧压力共同作用下两螺柱的应力分别为:粗螺柱503M Pa,细螺柱643M Pa 结合应力状况和两个螺杆的横截面面积可以很方便地得到两个螺柱在预紧载荷和峰值燃烧压力共同作用下的受力情况:粗螺柱为114 170.94 N,细螺柱为61 106.35 N因此,在局部模型的峰值燃烧压力工况下,分别给粗螺柱上端施加114 170.94 N给细螺柱上端施加61 106.35 N的总载荷,方向竖直向上,模拟预紧载荷和峰值燃烧压力共同作用的效果4计算结果及分析图4和图5
19、(各自右图为放大图)为装配体模型中两个螺柱在预紧状态和峰值燃烧压力作用下的应力分布情况,通过计算这两种状态下的应力分布,可以比较准确地得到两个螺栓在两种状态下的受力情况,为后续的局部模型施加正确的载荷条件提供了基础依据图69(各自右图为放大图)分别为大螺柱和缸体局部模型中气缸体和螺柱螺纹部分在预紧载荷状态和峰值燃烧压力作用状态下的应力分布情况 从应力分布图可以看出,由于螺纹受力不均匀,致使有些局部应力偏高,导致气缸体螺纹变形量较大,加922第4期高斌,等:发动机气缸体螺纹联接强度有限元分析 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishi
20、ng House.All rights reserved.http:/图4装配体中螺柱在预紧状态下应力分布Fig.4Stress distribution of bolts in the assemble modelunder pre2tension load case图5装配体中螺柱在峰值燃烧压力状态下应力分布Fig.5Stress distribution of bolts in the assemble modelunder peak2combustion2pressure load case图6局部模型中缸体螺纹在预紧状态下的应力分布图Fig.6Stress distribution
21、of cylinder block thread in thelocalmodel under pre2tension load case剧了气缸体螺纹的磨损,降低了内燃机的可靠性,可以考虑采用其他的螺纹连接方式来改变螺纹部分的受力状况,比如文献7中提到的添加粘结剂的间隙配合螺纹连接方式,可以使螺纹受力比较均匀,降低缸体部件的最大应力值,提高内燃机的可靠性5结论采用本文方法对气缸体和螺栓之间的螺纹区域图7局部模型中缸体螺纹在峰值燃烧压力状态下的应力分布图Fig.7Stress distribution of cylinder block thread in thelocalmodel unde
22、r peak2combustion2pressure loadcase图8局部模型中大螺柱螺纹在预紧状态下的应力分布图Fig.8Stress distribution of the large bolt thread in thelocalmodel under pre2tension load case图9局部模型中大螺柱螺纹在峰值燃烧压力状态下的应力分布图Fig.9Stress distribution of the large bolt thread in thelocalmodel under peak2combustion2pressure loadcase的强度进行分析计算,可以比
23、较准确、真实地获得被连接气缸体螺纹部分的应力、应变分布,不但合理地简化了模型,节约了计算机资源,而且可方便地模拟装配体螺栓在预紧状态和峰值燃烧压力作用下的应力分布,并可进行复合工况的计算,效果很好,具有很强的实际应用价值在今后的相关研究中,还可以继续在本文研究方法的基础上考虑热负荷计算以及疲劳寿命计算,以便更真实地了解气缸体螺纹的受032工程设计学报第12卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/力状况以及疲劳寿命状况参考文献:1濮良贵,纪名刚.机械设计(第六
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