专利名称：发动机耦合分析方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机研发的工程分析方法，特别涉及在发动机开发初 期，利用数学方法，建立数学模型，模拟发动机的实际工况，计算发动机各部 位的温度场、热应力、机械应力和疲劳等数据，进行虚拟产品设计与仿真，指 导发动机缸体、缸盖以及缸垫的设计并对发动机性能进行评价的方法。
技术背景在发动机前期开发过程中，准确的预测其结构设计合理性是很关键的工 作，这包括对其进行温度场、应力场计算以及疲劳计算等，这可以指导发动机 缸体、缸盖以及缸垫的设计并对发动机性能进行评价，这种不通过试验或者通 过较少试验来进行虚拟产品设计与仿真的方法，不仅缩小了产品开发周期，也 减少了开发成本。目前，发动机开发中，对发动机整机结构强度进行预测是很少的， 一般都 是采用反复试验的方法，成本高，周期长，造成一些没有必要的浪费。也有采 用有限元计算的，但是这种用有限元计算的方法，考虑的不够系统化，工况也 不够全面，评价标准也不完善。 发明内容为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种发动机耦合分析方 法，该方法考虑到发动机的各种极限工况(冷机、热机、缸内燃烧等)，并通 过了大量试验的验证，结果可信度是高的，以降低发动机开发成本。为解决上述技术问题，本发明的技术方案为 一种发动机耦合分析方法， 用有限元技术对发动机整机的温度场、热应力、机械应力、疲劳等进行计算， 建立了一套校核方法和流程，从而能更好的进行指导发动机产品设计和整个结构合理性的评价，并据此进行改进。包括以下步骤A、 对发动机整机有限元模型各部件进行网格划分；B、 模拟发动机实际工况，计算出传热边界条件；C、 加载边界条件；D、 对所述的系统进行仿真计算并对结果进行评价。进一步的，上述方法中在步骤A中，网格划分的整体坐标系采用直角坐 标系，X轴的方向与曲轴同向，坐标系的中心在曲轴的中心，Z轴与气缸轴同 向，Y轴指向发动机的侧向。进一步的，在上述方法中所述的整机有限元模型各部件，包括缸体、缸 盖、框架、气门、气门导杆、气门座圈、气缸垫、火花塞、缸盖螺栓。进一步的，在上述方法中，对发动机整机有限元模型进行有网格划分是使 用二阶6节点2D传热单元，二阶10节点3D传热单元和《f正的二阶10节点 3D单元完成的。进一步的，上述方法中，在步骤B中，所述的边界条件是通过对发动机进 行缸内燃烧计算以及对进排气道和水套进行计算流体动力学计算而获得的。进一步的，上述方法中，在所述的步骤D中，具体包括根据发动机温度 场，求解热应力，根据爆发工况和装配工况，求解机械应力，根据应力场的分 布，求解疲劳因子分布，最后评定结果。本发明的有益效果是，通过使用本发明的发动机耦合分析方法，在样件试 制以前，可以在虚拟环境中模拟发动机实际工况下的各种性能，提高了开发效 率，节省了大量的试验成本，可大大的缩短产品开发周期，为发动机整机结构 设计指明了方向。以下将结合附图，对本发明的M佳实施例进行较为详细的说明。
图l是本发明流程图。
具体实施方式
实施例l,如图l所示本发明利用计算机仿真实现发动机开发，整机耦 合分析主要是针对发动机在冷态和热态环境下，几种极限工况来考察其温度、 强度、变形及其疲劳性能包括如下步骤步骤A:对发动机整机有限元模型各部件进行网格划分；本实施例中对缸体、缸盖、框架、气门、气门导杆、气门座圏、气缸垫、 火花塞、缸盖螺栓等分析中所包含的部件进行网格划分。使用DS6类型单元(二 阶6节点2D传热单元)、DC3D10类型单元(二阶10节点3D传热单元)，和 C3D10M类型单元(修正的二阶10节点3D单元)为网格的基本单元，在容易 产生应力集中的部位，离散单元要更力口细致， 一定要保证在关键部位有足够的 网格精度。在各部件的接触部位，注意网格节点要——对应，提高收敛性。网格划分时，整体坐标系采用直角坐标系，X轴的方向与曲轴同向，坐标 系的中心在曲轴的中心，Z轴与气缸轴同向，Y轴指向发动4几的侧向。整才几有 限元模型包括缸体、缸盖、框架、气门、气门导杆、气门座圈、气缸垫、火 花塞、缸盖螺栓。本实施例中，网格总数大约在80万。整机各部件材料参数 部分从试验中所得，尽可能反映真实材料性能，缸垫压力数据由供应商提供， 通过相关试验测试所得。步骤B:模拟发动机实际工况，计算出传热边界条件；本实施例中，发动机的实际载荷工况包括装配载荷工况、热载荷工况和最 大爆压载荷工况等三种工况。其中装配载荷工况主要考虑螺栓预紧力、气门座圈过盈量、气门导管过 盈量、火花塞预紧力等。热载荷工况发动机传热极为复杂，合理地给出传热边界条件是保证有限 元计算可靠性的关键。确定换热边界条件，主要是缸内燃气边界，水套边界， 进排气道边界，油路边界等。缸内边界包括缸套内壁面以及气缸盖顶部燃烧室部分，本实施例中可以使 用AVL-BOOST软件，对整个发动机额定工况进行完整的72(TC燃烧计算。缸盖缸体水套对流换热系ft和温度由CFD计算所得。湍流模型采用标准 k-印silon模型，给定进口流量和温度，出口梯度设为O,壁面采用标准壁面 函数。进排气道是气流运动变化较快的部位，热力学热状况变化复杂，温度和换 热系数随着气流的运动变化，此处进排气道气体侧的对流换热系数和温度取为 均值，由于发动机不同具体取值也不相同。油路换热系数和温度可取为均值， 具体大小根据具体的发动机确定。水泵的对流换热系数和温度也取为均值，具 体值才艮据水泵的功率确定。本实施例中，传热边界条件包括三类，第一类传热边界条件指的是给定边 界的温度，第二类传热边界条件指的是给定边界热流密度，第三类传热边界条 件，是给定边界环境的温度和对流换热系数，具体如下Bl:燃烧室内的气体，并进行燃烧计算，取得燃烧室内平均温度和换热系 数作为缸套内侧热分析的第三类传热边界条件；B2:对水套进行CFD (计算流体动力学，Computational Fluid Dynamics) 计算，得到缸套外侧的第三类传热边界条件(缸套的换热边界以及温度是通过 水套CFD计算得到的)；B3:对进排气道进行CFD计算，得到气道第三类传热边界条件；B4:对各缸施加爆发压力边界；B5:对缸盖螺栓、框架螺栓、气门座圈、气门导杆按工艺尺寸进行装配； B6:热应力和机械应力的结果作为疲劳计算的边界条件。 本实施例中，因点火顺序不同，各缸的最大压力并不同时出现，各个区域 压力分布也不用，此处将利用经验公式和经验值进行分配，各缸压力分别计算。 上述步骤中计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)是 流体力学的一个分支，它通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信 息，实现了用计算机代替试验装置完成"计算试验"，为工程技术人员提供了 实际工况模拟仿真的操作平台，已广泛应用于航空航天、热能动力、土木水利、汽车工程、铁道、船舶工业、化学工程、流体机械、环境工程等领域。步骤C:加载上述边界条件；步骤D:对所述的系统进行仿真计算并对结果进行评价。 对整机温度场进行求解，进而进行热应力、机械应力以及疲劳计算，具体 包括如下步骤Dl:温度场计算；使用DS6 (二阶6节点2D传热单元)和DC3D10类型单 元(二阶10节点3D传热单元)为网格，对每个网格中的整机温度场进行求解；D2:热应力计算； <吏用C3D10M类型单元({资正的二阶10节点3D单元) 为网格，对每个网格中的整机各部件热应力进行计算；D3:机械应力和疲劳计算；使用C3D10M类型单元(修正的二阶10节点 3D单元)，对每个网格中的节点机械应力和疲劳强度进行计算。该过程主要考察装配工况、最大爆压工况以及热工况。通过上述步骤可以得到计算结果，本实施例中计算结果关键点有1、 缸垫压力分布垫片密封性能同垫片接触压力的水平密切相关。这里考虑最小装配载荷工 况下缸垫的压力水平，以评价气缸垫的密封性能。2、 温度场分布发动机部分区域过高的温度可能导致材料发生烧蚀，也可能使润滑油发生 碳化，表面温度过高，可能造成表面点火,造成发动机非正常燃烧等。整机温度 场分析中通常关注缸盖燃烧室附近的温度分布以及缸体上各缸间的温度分布。本实施例中，最高温度发生在燃烧室顶面两排气门中间处，因为这是高温 燃气沖刷的部位，排气侧温度比进气侧高，该处温度值为22(TC左右，满足铝 合金材料要求。缸体温度场中最高温度发生在2-3缸间鼻梁区处，为196。C左 右，通过冷却系统试验，缸间布置温度传感器，得该处的温度为195. 6°C，计 算值与试验值吻合的很好，该温度小于润滑油结焦温度22(TC,满足设计要求。3、 应力分布以最恶劣工况(装配、爆压、热混和工况)为例说明应力分布情况，该工 况为机械应力与热应力的综合，机械应力是由于装配载荷和最大爆压载荷引起 的，热应力是由于相互4妄触的结构体或同 一结构体的不同部分之间的热膨胀系 数不匹配，在加热或冷却时彼此的膨胀或收缩程度不一致，从而导致热应力的 产生。热应力实际上是热和应力两个物理场的耦合问题，本文中采用顺序耦合方法。对铝等塑性材一+制造的部件通常以Von Mises当量应力来进行应力评 估，对于铸铁等脆性材料制造的部件则以主应力水平考察其强度。缸盖的分为三个部分进行观察，缸盖火力面、中间区域(进排气管)和顶 部。缸体重点关注区域为缸间部位。缸盖最大VonMises应力为200MPa左右， 满足强度要求。该处最大应力是由进排气门处热膨胀不均匀导致。如图10所 示，缸体最大应力为198MPa左右，满足强度要求。该处应力是由缸套和缸体 材料不同，热膨胀量不同导致。4、疲劳分析发动机整机工作时承受载荷复杂而且载荷有交变特性，为此需要对其进 行疲劳计算预测其动载荷安全性能。发动机整机及其零部件的疲劳属于高周疲 劳的范畴，采用基于S-N的方法来计算。将各爆压工况下的应力应该作为动载 应力，而装配工况和热载荷工况的应力需要叠加起来作为静态应力作为疲劳软 件FEMFAT的输入，进而进行疲劳计算。存活率取99.99 %。缸盖疲劳因子分布中，火力面鼻梁区域的疲劳安全因子较小约为1. 0，仔 细考察该区域的应力历程发现该区域主要承受由热载荷造成的压应力，因此安 全系数仍可以接受。其他关键区域，水套侧的火力面处的倒角区域等均满足要 求。缸体最小疲劳因子发生在关键区域缸间部位，本实施例中计算该区域的疲 劳安全因子在l.O，因此该区域疲劳因子可以接受。总之，对整机分析进行结果评价； 一般考虑根据如下几个因素缸体鼻梁 区的温度不能超过22(TC;产生的最大应力小于材料的强度极限即可认为满足强度要求；产生的疲劳因子应小于我们经验值的安全因子，以保证安全可靠， 缸垫各筋线压力要小于缸垫属性压力值。如果结构不合理，就要对发动机相关部件的结构设计进行修正，然后，重 新执行上述步骤，对修正设计后的发动机强度进行校核。本实施例中的技术方案，大大的缩短了产品开发周期，在样件的试制以前， 可以在虚拟环境中模拟发动机实际工况的各种性能，提高了开发效率，节省大 量的试验成本，为发动机整体结构设计指明了方向。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
权利要求
1、一种发动机耦合分析方法，是用有限元技术对发动机整机的温度场、热应力、机械应力、疲劳等进行计算，建立一套校核方法和流程，包括以下步骤A、对发动机整机有限元模型各部件进行网格划分；B、模拟发动机实际工况，计算出传热边界条件；C、加载边界条件；D、对所述的系统进行仿真计算并对结果进行评价。
2、 根据权利要求1所述的发动机耦合分析方法，其特征在于在所述的步骤A中，网格划分的整体坐标系采用直角坐标系，X轴的方向与曲轴同向，坐标系的中心在曲轴的中心，Z轴与气缸轴同向，Y轴指向发动机的侧向。
3、 根据权利要求2所述的发动机耦合分析方法，其特征在于所述的发动机整机有限元模型各部件，包括缸体、缸盖、框架、气门、气门导杆、气门座圈、气缸垫、火花塞、缸盖螺栓。
4、 根据权利要求3所述的发动机耦合分析方法，其特征在于所述的发动机整机有限元模型进行有网格划分是使用二阶6节点2D传热单元，二阶10节点3D传热单元和修正的二阶10节点3D单元完成的。
5、 根据权利要求1所述的发动机耦合分析方法，其特征在于在步骤B中，所述的边界条件是通过对发动机进行缸内燃烧计算以及对进排气道和水套进行计算流体动力学计算而获得的。
6、 根据权利要求1至5所述的任何一种发动机耦合分析方法，其特征在于所述的步骤D中，所述的对系统进行仿真计算并对结果进行评价，具体包括根据发动机温度场，求解热应力；根据爆发工况和装配工况，求解机械应力；根据应力场的分布，求解疲劳因子分布；最后评定结果。
全文摘要
本发明所充分公开的是发动机耦合分析方法，是用有限元技术对发动机整机的温度场、热应力、机械应力、疲劳等进行计算，建立了一套校核方法和流程，从而能更好的进行指导发动机产品设计和整个结构合理性的评价，并据此进行改进。包括以对发动机整机有限元模型各部件进行网格划分；模拟发动机实际工况，计算出传热边界条件；加载边界条件对所述的系统进行仿真计算并对结果进行评价等步骤。通过使用本发明的技术方案，可大大的缩短产品开发周期，在样件试制以前，可以在虚拟环境中模拟发动机实际工况的各种性能，提高了开发效率，节省了大量的试验成本，为发动机整机结构设计指明了方向。
文档编号G06F17/50GK101593228SQ20091010809
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月18日 优先权日2009年6月18日
发明者崔克天 申请人:奇瑞汽车股份有限公司