一种发动机气缸垫的设计方法与流程

本发明涉及计算机辅助工程(cae)技术领域，具体涉及一种发动机气缸垫的设计方法。

背景技术：

在当今汽车工程领域，cae(计算机辅助工程)已得到广泛运用到产品设计中，成为汽车开发过程中发现问题、解决问题、支持产品开发的一种有效工具。其中，有限元方法在分析结构应力、应变、变形、振动、温度及疲劳等方面能达到较高的精度，能解决工程开发过程中多方面的问题。本方法借助有限元分析工具，预测在实际台架工作条件下，气缸垫的密封薄弱区域，提供一种汽车发动机气缸垫的设计方法。

运用有限元方法时，需将一个连续的结构离散为若干个单元，并通过单元的节点相互连为一个整体。以节点的某个量作为未知量，通过假设单元的近似函数来表示待求的未知量，通过变分原理得到未知量的方程组，然后利用数值方法得到解答。而连续结构离散的效果与边界条件(有限元分析模型)是影响近似解精度的重要因素。

汽车发动机气缸垫作为发动机关键零部件，其主要作用是密封发动机缸盖缸体间燃气、冷却液和机油，同时承受燃气爆发压力、燃气温度、冷却液和机油压力，工作环境异常复杂，对气缸垫进行密封性能分析是发动机开发中很重要的一项工作。目前气缸垫的有限元分析中使用的温度场，都是基于发动机全速全负荷台架试验的cfd仿真数据，不能涵盖发动机三大可靠性台架试验，特别是发动机冷热冲击台架试验和发动机交变负荷台架试验这些温度急剧变化的工况，而这些也是气缸垫密封性能重点关注的试验项目。如图1a和1b，可以看出，发动机在全速全负荷台架试验和冷热冲击台架试验的温度差异非常大，对应的缸垫密封性能也具有非常大的差异。温度云图和对应的缸垫密封压力云图示例，对比全速全负荷台架试验与冷热冲击台架试验，发动机温度差异非常大，对应的缸垫密封性能也有非常大的差异。

技术实现要素：

本发明的目的是通过发动机三大可靠性台架试验的有限元分析，模拟发动机气缸垫的各种恶劣工作环境，提高气缸垫密封的稳健性，更好地指导气缸垫的设计开发，提供一种发动机气缸垫的设计方法，以符合产品开发要求。

本发明实施例提供了一种发动机气缸垫的设计方法，包括：

步骤1，建立缸盖、缸体、气缸垫和螺栓的几何模型，并进行前处理；

步骤2，对经过前处理的几何模型进行网格划分；

步骤3，边界条件处理：进行螺栓预紧力施加、进行缸体的气门座圈与缸盖之间的装配过盈量施加、进行缸体的气门导管与缸盖之间的装配过盈量施加、进行发动机三大可靠性台架试验各自对应的cfd温度场结果映射，以及进行缸体的燃烧室内的燃气爆发压力施加，并使所施加的燃气爆发压力与温度场形成顺序热-力耦合；

步骤4，进行有限元分析计算；

步骤5，获得气缸垫在燃气爆发压力工况和温度场工况下各自的密封压力和动态离脱间隙；

步骤6，判断是否满足：气缸垫在燃气爆发压力工况和温度场工况下各自的密封压力均位于预设的标准密封压力范围内且气缸垫在燃气爆发压力工况和温度场工况下各自的动态离脱间隙均位于预设的标准动态离脱间隙范围内；

步骤7，若满足，则确定气缸垫符合设计要求。

优选地，步骤5中，气缸垫的动态离脱间隙具体为气缸垫在燃气爆发压力工况与温度场工况下的法向变形量的差值。

本发明的有益效果为：

借助有限元方法，完备地考虑发动机三大可靠性台架试验，可涵盖发动机气缸垫的各种恶劣工作环境，避免不能对发动机气缸垫进行完整的有限元分析，提高气缸垫密封的稳健性，更好地指导气缸垫的设计开发。

附图说明

图1a为背景技术的发动机在全速全负荷台架试验下的温度云图和对应的缸垫密封压力云图；

图1b为背景技术的发动机在冷热冲击台架试验下的温度云图和对应的缸垫密封压力云图；

图2为本方法的流程图。

具体实施方式

下面结合图2对本发明作进一步说明：

参见图2，本发明所述的一种汽车发动机气缸垫的设计方法，其过程如下：

1、进行三维几何模型建立及前处理

首先，在proe/solidedge/ug/catia/autocad等商用软件中建立缸盖、缸体、气缸垫、螺栓等部件的三维几何模型（三维cad模型）。然后将建立的三维几何模型导入有限元前处理软件（有限元前处理软件包括：abaquscae/patran/hypermesh/ansa等）中做相关几何清理。例如，利用hypermesh软件的quickedit面板对所建立的三维几何模型进行必要的处理，为有限元软件进行网格划分作预先准备。必要的处理步骤具体包括：将建立的气缸垫三维几何模型的密封线轮廓投影到建立的缸盖和缸体三维几何模型的密封面上；将建立的螺栓模型的法兰面外轮廓投影到缸盖安装面上；并删除非关键的倒角、圆角和其他细小特征。

2、利用有限元前处理软件进行网格划分

然后，利用hypermesh软件的automesh子面板、drag子面板和tetramesh子面板划分有限元网格。其中，对气缸垫进行网格划分时采用gasket单元，对缸体的气门导管和螺栓进行网格划分时采用非协调的一阶六面体单元，对剩余的其他部件进行网格划分时采用修正的二阶四面体单元。此外，对于气缸垫的密封筋位置处应进行网格加密；而对于缸盖和缸体各自与气缸垫的密封筋接触部位应保证网格节点对应；同时，对于缸体的燃烧室、水套、油道等位置也需要进行网格加密，特别是在关键圆角、倒角位置处分布四层以上网格，以保证关键位置处的特征轮廓清晰，不会出现严重失真。

3、建立有限元分析边界条件

然后，根据气缸垫工作环境，在有限元前处理软件（如hypermesh软件或abaqus软件）里施加合理的边界条件。施加边界条件时，根据实际情况，进行位移边界条件，接触边界条件和载荷边界条件施加。其中，载荷边界条件施加具体包括：

1）、在螺栓上施加螺栓预紧力，其中，螺栓预紧力的大小预先通过预紧扭矩的理论计算得到；

2）、在缸体的气门座圈、气门导管各自与缸盖接触部位施加过盈量的预先设计值。

3）、对所建立的整体有限元模型映射cfd温度场结果，所映射的映射cfd温度场结果包含发动机全速全负荷运行工况下的cfd温度场结果、冷热冲击运行工况的cfd温度场结果和交变负荷运行工况下的cfd温度场结果(图2中的步骤5)。

4）、对发动机燃烧室内施加燃气爆发压力，并与上一步3）中的温度场形成顺序热-力耦合(图2中的步骤4)。

6、进行有限元分析计算最后，提交分析模型，通过abaqus软件的求解器进行求解。

7、密封压力和动态离脱间隙获取

根据计算结果，得到气缸垫在不同工况下的密封压力和动态离脱间隙。

具体来说，利用有限元求解器，对整体模型进行求解计算，得到气缸垫在燃气爆发压力工况下的密封压力和缸垫法向变形量以及气缸垫在温度场工况下的密封夏利和缸垫法向变形量，进一步得到气缸垫的动态离脱间隙(动态离脱间隙为燃气爆发压力工况与温度场工况下的缸垫法向变形量的差值)。

8、进行结果评判

将气缸垫在不同工况下的密封压力和动态离脱间隙与基于经验获得的标准密封压力范围和标准动态离脱间隙范围进行比对，再实现对获得的结果进行评价。

若气缸垫在不同工况下的密封压力均位于标准密封压力范围内气缸垫在不同工况下的动态离脱间隙均位于标准动态离脱间隙范围内，则认为当前设计的气缸垫符合设计要求；不满足上述这一条件的，则认为不满足设计要求。

9、设计优化

如果其中某项结果不满足相应标准范围的要求，则需要分析造成该结果的主要影响因素，并采取相应的优化措施，直到气缸垫的密封性能满足要求。进行优化时，可以基于气缸垫的密封情况，进行局部增加缸盖缸体刚度、优化气缸垫密封筋、局部增加限位筋、增加缸盖螺栓预紧轴力等优化措施。

10、分析完成

如果步骤8中的结果评价为都满足要求，则完成分析。

在上述的整体有限元模型需映射cfd温度场结果这一步中，需要注意的是，发动机全速全负荷运行工况的温度场是稳态，发动机冷热冲击运行工况和交变负荷运行工况的温度场是瞬态。因此需要根据cfd的仿真结果，合理选择合适的瞬态时间点下的温度场，进行温度场结果映射。这样可以涵盖发动机三大可靠性台架试验，特别是发动机冷热冲击台架试验和发动机交变负荷台架试验这些温度急剧变化的工况。而在发动机台架试验中，这种温度急剧变化的工况下，发动机气缸垫会更容易发生密封问题，因此必须在发动机气缸垫的设计中加以考虑。