（1） D
式中 M —— 紧固螺栓扭矩 D —— 紧固螺栓公称直径 P单位面力＝ F螺栓预紧力 （2） S
式中 S——为紧固螺栓预紧力加载面的表面积
（b） 凸纹及加强筋受压变形产生的等效应力的计算方法如下 E体积模量 （3）
31?2γ?S
F等效力＝K体积模量? （4）
?x
K体积模量＝
式中 E体积模量——材料的弹性模量 K体积模量——为材料的体积模量 Γ—— 材料的泊松比
?S——凸纹及加强筋受压变形后面积增 量 图10 组合结构变形图
?x——凸纹及加强筋受压变形后长度增 量
P单位面力= F等效力 （5） l
式中 l—— 凸纹及加强筋在垂直方向上的等效长度。 2.2.3 求解及分析结果
指定分析类型为静力分析，并定义分析选项为大变形，使分析中考虑大变形影响。为了使时间步长小到足够保证收敛和描述，适当的接触应用了自动时间步长，因为大的时间增量会使迭代趋向于不稳定，载荷步结束时间定义为100。然后运行求解。组合结构单元应力等值线图和变形图如图9、图10所示。
2.3 爆发工况下热-机械耦合应力场的计算与分 析
在爆发工况时，发动机气缸盖与气缸垫组合结构不但承受预紧工况时的载荷，还承受缸内气体的爆发压力及较高的热负荷。以第三缸处于爆发状态时为计算工况，已知第三缸的最大爆发压力，将它施加于气缸盖的火力面上。
热-机械耦合应力场分析是一种间接法顺序耦合分析的典型例子，分3步完成。 （1） 进行热分析，求得结构的温度场； （2） 将模型中的分析单元转变为对应的结构分析单元，并将第一步求得的热分析当作体载荷施加到节点上； （3） 定义其余结构分析需要的选项，并进行结构分析。 2.3.1 稳态热分析 （1） 温度边界条件的确定
发动机缸盖处于高温高压等复杂的工况下工作，实际的热边界条件受到很多内外因素的影响，是无法精确求出的。因此，采用同类型机的 ·28· 工 程 图 学 学 报 2009年 经验数值进行计算，再根据实测温度值，反复修正计算所得温度场，使计算误差达到最小。在分析过程中，由于对整个系统按照绝热处理，所以只定义温度热边界条件，不考虑其他因素。
换热系数根据设计参数并参照文献初步确定，然后经过反复计算修改，确定如下：
1） 自由表面 气缸盖暴露于大气环境中的表面即为自由表面。这类表面的特点是它们与周围环境的热换极为微弱，因此热换系数不大，本
，环境温度取300K。 计算取α=20W/（m2·K） 2） 进气道表面 热换系数数值通常在 ，150~300W/（m2·K）之间，取α=250 W/（m2·K） 介质温度为320K。
3） 排气道表面 根据测定，排气道环境温度达520℃左右。此处热换系数在200~500W/（m2·K）之间，经多次试算后确定热换系数取 ，介质温度为800K。 α=350W/（m2·K）
4） 水腔表面 在气缸盖热换过程中，冷却水不断的流动，通过壁面带走了大量的热量，因此有较高的热换系数值。经试验热换系数取为 ，环境温度即冷却水的温度α=2000W/（m2·K） 350K。
5） 燃烧室表面 采用平均温度（也称等效温度）作为环境温度。根据测定的示功图（p-ψ图）计算出每一瞬时的温度Tg，再用艾歇伯格 Eichelberg公式算出瞬时换热系数αg，得到平均 换热系数αgw及平均（等效）温度Tgw
4π04π0
再定义。在材料模型属性窗口中，按上述热边界 条件定义材料的换热系数。
划分网格与前面预紧工况下机械应力场的划分方法相同，采用退化的六面体单元，自由网格的划分方法。
定义温度边界条件，将温度载荷值按照上述温度边界条件加到相应的实体上。 通过上述步骤即可进行稳态热分析的求解及结果分析。整体温度场分布如图11所示。
图11 组合结构整体温度场分布图 αgw=∫ Tgw αg?d? （6） ?
(αgTg)d? 4π ∫= ∫
（7）
αgd?
，Tgw=1060K。 最后取αgw=850W/（m2·K）
6） 气缸垫上表面 即气缸垫与气缸盖相接
触的表面，其表面温度较高，取介质温度为800K。 （2） 稳态热分析过程
有限元模型的生成与预紧工况下机械应力场的有限元模型相同，根据气缸盖与气缸垫组合结构的特征，选择相应的热实体单元类型8节点三维实体单元Solid 70。稳态热分析只需定义材料的换热系数，其它属性在进行结构应力分析时 2.3.2 结构应力分析
进行模型转换。由于前面建立的有限元模型中为热分析单元，无法进行结构应力求解，所以需要将原来模型中的单元类型转换为结构分析单元。在“Change
element type”（转换单元类型）对话框中选择“Thermal to Structure”选项，ANSYS程序将自动将Solid 70单元转换为Solid92。
定义材料力学性能及热膨胀系数。按照前面预紧工况下机械应力场的材料属性定义方法，定义材料的弹性模量和泊松比，以及在特定温度下的热膨胀系数ALPX，参考温度为10℃，组合结构的热膨胀系数ALPX为10E-6。 定义接触对。与前面预紧工况下机械应力场的接触对定义方法相同。
定义结构分析边界条件。包括位移边界条件、接触边界条件和载荷边界条件，其中位移边界条件和接触边界条件与前面预紧工况下机械应力场的分析相同，但在载荷边界条件中，除受紧固螺栓的预紧力作用和气缸垫气缸孔和水套孔等周围的凸纹及加强筋受压变形产生的等效应力作用外，还受缸内气体的爆发压力而作用在
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 ·29· 火力面上的爆发压力，把这3个力分别以表面力的方式加到相应的表面上。 施加温度载荷。将稳态热分析中得到的结果文件（Jobname.rth）从指定的数据库文件路径中找到，施加到结构模型分的节点上。 2.3.3 分析结果
读取结果文件的最后一个子步结果，组合结构的变形及等值线图如图12、图13所示。
汽车发动机气缸盖与气缸垫组合结构的有限元分析（精）
