2009年 工 程 图 学 学 报 2009 第2期 JOURNAL OF ENGINEERING GRAPHICS No.2
汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构 的有限元分析
史彦敏1， 李卫民2
（1．辽宁石化职业技术学院，辽宁 锦州 121003；
2．辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁 锦州 121001）
摘 要：研究和探讨了有限元分析理论和方法在汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构强度计算中的应用。以通用有限元分析软件为平台，建立了三维CAD/CAE应用软件集成系统，实现了从预紧工况到爆发工况的结构分析、稳态热分析和热-结构耦合分析。
关 键 词：计算机应用；组合结构；有限元分析；发动机气缸盖；气缸垫 中图分类号：TP 391
文献标识码：A 文 章 编 号：1003-0158(2009)02-0023-07
Finite Element Analysis for Composite Structure of Cylinder Head and Cushion in Automobile Engine Wei-min2 SHI Yan-min1, LI
( 1. Liaoning Petro-Technique College, Jinzhou Liaoning 121003, China; 2. Mechanical and Automation Engineering College, Liaoning University of
Technology, Jinzhou Liaoning 121001, China )
Abstract: The application of finite element analysis theory and method in calculation of strength for composite structure of cylinder head and cushion in automobile engine is discussed. A 3D CAD/CAE integrated system is built based on the general finite element analysis software. The structure analysis, steady-state thermal analysis and thermo-structure coupling analysis are realized from pre-tightening to outburst operating mode.
Key words: computer application; composite structure; finite element analysis; cylinder head; cylinder cushion
良好的密封和强度一直是发动机整机可靠
性问题中的主要矛盾之一。较大的气缸盖螺栓预 紧力能保证良好的密封性能，但同时给气缸盖及 气缸垫带来了强度问题。近些年，发动机不断强 收稿日期：2008-05-05
基金项目：辽宁省重大科技攻关资助项目（2004216010）
作者简介：史彦敏（1955-），女，辽宁葫芦岛人，副教授，主要研究方向为机械设计。 化，功率不断提高，发动机爆发压力不断增大，机体承受的负荷相应增加，过去常用的金属-石棉气缸垫已经不能适应发动机的燃烧压力和热负荷要求[1]。 ·24· 工 程 图 学 学 报 2009年
采用新型的金属气缸垫可确保燃烧室的密封。金属气缸垫在外力作用下，利用本身的弹性变形补偿机体顶部和气缸盖之间的粗糙度和不平度，以提高高温高压燃气、冷却水、机油的可靠密封，不产生任何渗漏现象[2]。此类金属气缸垫已经大量生产，其密封性能和强度已从实验手段上得以验证，但缺乏可靠理论依据。通过有效的有限元分析法，对发动机气缸盖和气缸垫组合进行研究，对其重要部位进行应力场接触分析和温度场分析，深入研究气缸盖螺栓预紧力、燃烧压力以及相应的热负荷，与气缸垫弹性变形以及危险点处应力分布情况的关系，为设计金属气缸垫提供合理有力的理论依据。在此基础上，开发出气缸盖与气缸垫组合结构有限元分析的CAD/CAE应用软件集成系统。利用该软件，可顺利完成发动机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析工作，将工程领域里广泛应用的有限元分析方法与CAD技术相集成，共同实现“设计-评价-再设计”的自动化，以缩短设计和分析的循环周期，增加产品的可靠性，降低材料消耗或成本[3]。
国内对于发动机缸体的CAD/CAE研究主要集中在缸体三维实体建模与结构分析、模态分析、噪声分析等方面，对气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析尚未发现报导。本文是对发动机CAD/CAE
领域研究的一个补充，为进一步研究发动机密封性能和刚度之间的矛盾，提供了准确而有效的途径。 1 系统的体系结构
根据气缸盖与气缸垫组合结构在生产中的需要，在进行大量资料和文献检索基础上，结合设计人员的经验，以三维实体造型CAD软件SolidWorks为操作平台，完成气缸盖与气缸垫组合结构建模工作。以通用的有限元分析软件ANSYS为辅助分析系统，采用ANSYS参数化程序设计语言APDL及面向对象编程语言VB6.0，进行界面及参数化设计，开发出用于发动机气缸盖与气缸垫组合结构，具有一定智能和实用性的集成化三维CAD/CAE应用软件系统。系统的总体结构如图1所示。
研究过程中所涉及到的发动机类型包括：安汽372型发动机、大柴498型发动机、大柴6DE1型发动机、玉柴360-20型发动机、玉柴6112型发动机、朝柴4105型发动机、东安468型发动机、江淮JGE1型发动机、淮柴斯太尔型发动机、长安465型发动机。根据各个发动机类型不同结构与工作特点，分别对每一
个气缸盖与气缸垫进行组合结构有限元分析，并形成有限元分析软件。本文以安汽372型发动机为例进行介绍。 三维实体建模
图1 系统总体结构框图
2 发动机气缸盖与气缸垫组合有限 元分析
2.1 组合结构三维实体模型的建立
有限元计算是基于结构的三维实体模型建立的，由于发动机气缸盖与气缸垫组合结构复杂，因此采用大型三维实体造型软件SolidWorks， 应用变量化设计和特征建模技术，分别对气缸
盖、气缸垫进行建模，装配后构成发动机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析模型。
多缸发动机各缸的结构一致，每缸左右的进、排气道两半部分结构有所差异，前后结构基本对称；每缸的气缸盖螺栓预紧力一致，螺栓以气缸中心面前后对称分布，在计算时可以对组合结构进行截取，以达到简化的目的。多缸发动机 第2期 史彦敏等：汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析 ·25·
在正常工作时，各缸处于不同冲程，只有一个缸处于最大爆发压力状态，一般选取第三缸作为最大爆发压力工作状态下的缸。因此，鉴于软硬件的要求及限制，对组合结构进行截取的原则是只对多缸中的两个缸[4]。其中一个为最危险工况下的缸，另一个为其相邻的缸；或者只对多缸中最危险工况下的单缸进行截取并进行计算分析。截取的方法：沿气缸盖螺栓中心线所在的垂直面进行截取，截取前后的气缸盖模型如图2和图3所示。
将截取后的气缸盖与气缸垫进行装配，装配后组合结构模型如图6所示。
图4 截取前的气缸垫模型图
汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析(精)
