专利名称：：一种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法
技术领域：
：本发明属于机械设计领域，涉及气缸套结构形状优化设计，特别是涉及大功率船用低速柴油机气缸套的形状优化设计方法。
背景技术：
：气缸套嵌在气缸体内，与气缸盖、活塞组共同构成柴油机的工作循环空间，其形状是一个承受内压及温度应力影响的不等壁厚圆筒。气缸套的结构如图2所示，图2是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法中原气缸套的结构示意图。在柴油机工作过程中，气缸套的内表面直接受到高温高压燃气燃烧时的反复冲击作用，外表面直接或间接地受到冷却水的冲刷和冷却；在进气过程中，又受到进入空气的吹拂。由于在气缸套内壁存在温度和压力的波动，内外壁间有温度差以及气缸套受到较大的安装应力等的作用下，使气缸套承受相当大的机械应力和热应力。此外，气缸套又对活塞组的往复运动起导向作用，活塞环密封压力、摩擦力和活塞侧推力直接作用在气缸套内表面上，使气缸套产生弯曲应力和磨损。气缸套内表面受到燃气的化学腐蚀，外表面受到冷却水的化学、电化学和空穴作用，容易发生腐蚀和穴蚀。因此，为了保证缸套结构的可靠性和提高使用寿命，需要在结构设计时确保气缸套有足够的强度和一定的刚度，以及结构表面具备一定的精度、光洁度和抗蚀能力。通过技术检索发现，现有气缸套结构设计的几何形状相对比较简单，一方面，与早期的设计思路及采取的设计手段有关；另一方面，也不是完全依照结构强度和刚度需要设计的，受到当时的制造工艺水平的限制，使得部分设计理念难以完全实现。随着计算机技术的发展和制造工艺水平的提高，复杂的造型技术已经比较成熟，完全可以根据需要设计出结构更优、更加符合强度要求的气缸套外形。
发明内容本发明的目的是提供一种大功率二冲程低速柴油机气缸套的形状优化设计方法，利用本发明的方法对原有设计进行修改，最终获得一个更为合理的气缸套几何外形，并有效地降低了缸套的重量，节约了材料和铸造成本。为了达到上述发明目的，本发明提供的技术方案如下—种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法，该方法先对原设计的低速柴油机气缸套的形状建模后进行有限元分析，根据分析结果对原有设计进行参数修改，最终获得更为合适的气缸套几何外形。进一步的，本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法包括如下详细步骤①对现有的低速柴油机气缸套的特征参数和特性抽取，将气缸套的关键尺寸参数化，建立气缸套的三维原始模型；②将步骤①所述的三维原始模型转化为有限元分析模型，对缸套不同部位的壁厚参数化；果；③对缸套内的活塞组进行运动学分析，确定缸套受到的活塞冲击力；④将步骤③中得到的活塞冲击力施加于气缸套，并对气缸套进行有限元分析；⑤优化气缸套的壁厚，并对优化壁厚后的气缸套进行有限元分析，检查应力结⑥保存气缸套的优化结果，并将该结果反馈给原始模型。在本发明中，所述步骤③中气缸套所受到的冲击力的计算过程是{立移1=及(1-cosa)+*(1-cos2or)速度V二iW'义^sinor+—sin2or2力口速度a=Rw2(cosa+入cos2a)PN=PtanPP=Pg+PjPj=-m,P=sin—丄(入sina)入=R/la=cot式中，Pj-往复惯性力；Pg-气体压力；P-总作用力；Pn-活塞作用于气缸套的力；mj-作往复运动的活塞组件的总质量；l-连杆长度；R-曲柄半径；a-曲轴转角；"_曲轴旋转角速度；P_连杆摆角；求得气缸套受到活塞的拍击压力P。在本发明中，所述步骤④中对气缸套进行有限元分析是以气缸套构成材料的许用应力为约束条件，缸套的厚度作为参数变量。在本发明中，所述步骤⑤中检查应力结果是采用以修正后的气缸套结构再次进行有限元分析，查看所得到的应力值是否在材料许用应力值的90%±2%范围内，若是则停止优化，否则继续优化。在本发明中，建立气缸套的三维原始模型采用CAD软件，建立限元分析模型采用CAE软件。基于上述技术方案，本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法取得了如下技术效果1.本发明综合运用CAD、CAE软件，CAD部分主要完成气缸套的三维建模，并将关键尺寸参数化，以利于对结构进行修改及优化；根据气缸套的受力特点，通过计算机辅助工程CAE，对气缸套结构进行力学分析，完成疲劳寿命预测和可靠性分析。2.根据有限元分析得到的应力结果，对气缸套的壁厚做出修正，增加高应力区域缸套的壁厚，低应力区域按比例减小壁厚，最终获得一个更为合理的气缸套几何外形，并有效地降低了缸套的重量，节约了材料和铸造成本。3.本发明的方法最终形成优化设计标准流程，并可对系列化产品实现仿真优化设计，图1是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法的工艺流程图。图2是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法中原气缸套的结构示意图。图3是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法中原气缸套结构的有限元模型图。图4是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法中优化改进设计后结构有限元模型图。图5是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法中原气缸套结构的应力结果云图。图6是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法中优化改进设计后结构的应力结果云图。具体实施例方式下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法做进一步的详细阐述，但不能以此来限制本发明的保护范围。本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法综合运用CAD、CAE软件的基础上进行有限元程序的二次开发，形成优化设计分析软件包，包括CAD、CAE两个部分。CAD部分主要完成气缸套的三维建模，并将关键尺寸参数化，以利于对结构进行修改及优化；根据气缸套的受力特点，通过计算机辅助工程CAE，对气缸套结构进行力学分析，完成疲劳寿命预测和可靠性分析。根据有限元分析得到的应力结果，对气缸套的壁厚做出修正。最终形成优化设计标准流程，并可对系列化产品实现仿真优化设计。按以下步骤进行步骤1:建立气缸套的三维模型通过对典型二冲程低速柴油机气缸套主要特征参数的分析研究和特性抽取，在CAD平台上，开展气缸套的建模方法研究，将气缸套关键尺寸参数化，建立三维模型数据库。步骤2:建立气缸套的有限元分析模型由CAD平台建立的实体模型，转化为有限元模型，对缸套不同部位的壁厚进行参数化，以便于对缸套进行结构优化，建立后的有限元的模型如图3所示，图3是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法中原气缸套结构的有限元模型图。步骤3:对缸套活塞组进行运动学分析，确定缸套受到的冲击力参考《柴油机设计手册》(史绍熙等)，确定气缸套所受到的冲击力的大小。活塞运动规律采用近似公式计算位移<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>速度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>力口速度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>Pj=-m,P=sin—、入sina)入=R/la=cot式中，Pj-往复惯性力；Pg-气体压力；P-总作用力；Pn-活塞作用于气缸套的力；mj-作往复运动的活塞组件的总质量；l-连杆长度；R-曲柄半径；a-曲轴转角；"_曲轴旋转角速度；P-连杆摆角。经计算，求得气缸套受到活塞的拍击压力。步骤4:将得到的活塞冲击力施加于气缸套，对缸套进行有限元分析将算得的冲击力施加于缸套内表面，计算当活塞运行到下止点时，作用在缸套上的瞬态冲击响应。并将结构的许用应力作为约束条件，缸套厚度作为参数变量，进行优化设计，得到最优的缸套壁厚，图5和图6是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法中改进前后气缸套结构的应力结果云图。步骤5:对优化了壁厚的缸套进行有限元分析，检查应力结果对修正后的结构再进行有限元分析，并检查计算结果，若所得应力值接近结构的许用应力时，停止修正，上述接近结构的许用应力的标准是是否在材料许用应力值的90%±2%范围内，修改后的气缸套的如图4所示，图4是本发明对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法中优化改进设计后结构有限元模型图。步骤6:将优化结果反馈给CAD平台的模型，建立优化数据库，并对计算确定优化流程保存优化结果，并反馈给原始模型，并编写二冲程低速柴油机气缸套的优化设计流程，建立设计规范及数据库。实施例1按照以上优化设计流程，对某型大功率柴油机的气缸套进行优化设计。在本实施例中，缸套的起始壁厚为72mm，而在下端缸套主要起导向作用，同时也会受到活塞的冲击作用，该部分的强度要求不高，因此，对该部分进行优化。首先建立气缸套的有限元参数化模型，进行运动学计算分析，得到缸套受到的冲击力，接着进行冲击响应的仿真分析。在活塞冲击作用下，算得原结构的最大VONMises应力为149MPa，最大变形量为2.2mm;将气缸套壁厚减小22mm之后，再进行冲击响应分析，得到优化后结构的最大VONMises应力为167MPa，最大变形量为2.4mm。如表1所示，壁厚优化后结构的最大应力和变形量均有所上升，但均在允许范围之内，缸套的重量减小了101Kg，节约了材料，降低了铸造成本。下表是对低速柴油机气缸套进行优化设计后各参数的详细对比表表l气缸套优化前后各项指标对比分析<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>本发明首先建立气缸体的CAD三维参数化模型，形成参数化的数据模型，用于有限元仿真分析；其次，对活塞缸套组件进行结构运动学分析，确定缸套受到活塞的侧向冲击力；再次，将关键尺寸参数化，对气缸套结构进行有限元分析，并对缸套壁厚进行结构优化设计；最后，对优化后的模型进行分析验证，得到CAE数据结果，形成最终的气缸套优化仿真设计流程及模型数据库文件。权利要求一种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法，该方法先对原设计的低速柴油机气缸套的形状建模后进行有限元分析，根据分析结果对原有设计进行参数修改，最终获得更为合适的气缸套几何外形。2.根据权利要求1所述的一种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法，其特征在于，该方法包括如下详细步骤①对现有的低速柴油机气缸套的特征参数和特性抽取，将气缸套的关键尺寸参数化，建立气缸套的三维原始模型；②将步骤①所述的三维原始模型转化为有限元分析模型，对缸套不同部位的壁厚参数化；③对缸套内的活塞组进行运动学分析，确定缸套受到的活塞冲击力；④将步骤③中得到的活塞冲击力施加于气缸套，并对气缸套进行有限元分析；⑤优化气缸套的壁厚，并对优化壁厚后的气缸套进行有限元分析，检查应力结果；⑥保存气缸套的优化结果，并将该结果反馈给原始模型。3.根据权利要求2所述的一种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法，其特征在于，所述步骤③中气缸套所受到的冲击力的计算过程是位移:c=i(1-cos")+7(1-cos2")速度v=i^sina+^sin2"、2乂力口速度a=Rco2(cosa+入COs2a)PN=PtenPP=P，jpj=—mjaP=sin—1(入sina)入=R/la=cot式中，Pj-往复惯性力；Pg-气体压力；P-总作用力；Pf活塞作用于气缸套的力；nij-作往复运动的活塞组件的总质量；l-连杆长度；R-曲柄半径；a-曲轴转角曲轴旋转角速度；P_连杆摆角；求得气缸套受到活塞的拍击压力P。4.根据权利要求2所述的一种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法，其特征在于，所述步骤④中对气缸套进行有限元分析是以气缸套构成材料的许用应力为约束条件，缸套的厚度作为参数变量。5.根据权利要求2所述的一种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法，其特征在于，所述步骤⑤中检查应力结果是采用以修正后的气缸套结构再次进行有限元分析，查看所得到的应力值是否在材料许用应力值的90%±2%范围内，若是则停止优化，否则继续优化。6.根据权利要求2所述的一种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法，其特征在于，建立气缸套的三维原始模型采用CAD软件，建立限元分析模型采用CAE软件。全文摘要本发明涉及一种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法，该方法首先建立气缸体的CAD三维参数化模型，形成参数化的数据模型，用于有限元仿真分析；其次，对活塞缸套组件进行结构运动学分析，确定缸套受到活塞的侧向冲击力；再次，将关键尺寸参数化，对气缸套结构进行有限元分析，并对缸套壁厚进行结构优化设计；最后，对优化后的模型进行分析验证，得到CAE数据结果，形成最终的气缸套优化仿真设计流程及模型数据库文件。利用本发明的方法对原有设计进行修改，最终获得一个更为合理的气缸套几何外形，并有效地降低了缸套的重量，节约了材料和铸造成本。文档编号F02F1/00GK101710354SQ200910200560公开日2010年5月19日申请日期2009年12月23日优先权日2009年12月23日发明者刘利军,宋雅丽,董晶瑾申请人:沪东重机有限公司