有限元技術視角下的汽車發動機密封性能研究
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摘要：選用基于ANSYS Workbench的有限元分析平臺，主要針對某型汽車的發動機系的結構的密閉性進行了重點研究，其中具體涉及發動機氣缸墊、氣缸蓋以及其氣缸體的組合結構，闡述了研究過程中所涉及的重要思想和關鍵技術，并通過ANSYS Workbench的相關有限元的解算結果為發動機密閉性的提升和優化提供意見，而后對優化之后的性能再次進行解算和檢驗。通過分析檢驗結果，發現在對發動機密閉性進行優化的時候，可以從其汽缸墊的壓紋結構和相關起聯結作用的螺栓著手進行優化和調整，達到了提升發動機密封性能的目的。
關鍵詞：有限元;汽車發動機;密封性能;優化調整中
中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.15.093
0前言
近年來，對汽車的經濟性、環保性，特別是汽車發動機的動力性能的研究成為比較熱門的研究方向，但是在具體的研究過程中，少有人關注汽車發動機的密封性能相關方面的研究。很多部門為了處于研究成本的考慮，也僅僅停留在對氣缸墊密閉性能的初步討論方面，對于如何改進和解決汽車發動機的密閉性這一點上沒有給出有參考價值的研究結論和依據，更沒有給出經過密閉性檢驗的研究結果?；诖?，本文對汽車發動機組合結構的密封性能進行重點研究，研究的方法主要是運用試下熱門的有限元技術對可能影響到汽車發動機的密封性能的影響因子進行提取分析和進一步優化，并結合優化措施和結果對其進行相關方面的可靠性檢驗，對發動機密封性能數值模擬研究的關鍵方法和重要思想進行重點闡述，以期對我國國內汽車發動機密封研究工作以及相關行業的發展提供有意義的探索。
1穩態研究方面
1.1網格劃分
本文研究對象為汽車發動機組合結構，由于現代汽車的發動機的構建和組合結構較為復雜，并且具體的發動機構件和組件的外部特征找不到較為明顯的規律性，因此在研究開始時需要進行發動機組件的組合結構設計，在此選用網格處理的方式，因此研究初期的重點是要進行科學準確的網格處理方案設計，具體的設計方法是運用分割法，在常用的四面體網格基礎上進行再分割，分割過程中重點突出對各組合零件互相接觸的表面、如何準確定義接觸表面的邊界條件、分析提出影響最后解算結果的具體結構特征、選用較小的結構特征對四面體進行相關的網格加密處理以及選用網格稀疏處理對相對不重要的結構特征進行處理。
1.2結構性接觸問題
對接觸對進行設置，系統會自動在氣缸蓋、氣缸墊及氣缸體之間生成相應的接觸對，將數模導入ANSYS Workbench 中，首先刪除一些可能對解算結果產生干擾的接觸以及一些沒有價值的接觸對，從而保證解算結果的準確性和可靠性。在選擇具體的接觸類型時，本文選擇了適用性較廣的線性接觸對Bonded，以適應在結算和分析過程中可能由于接觸面較大、發動機結構復雜以及不易收斂、計算量大帶來的分析和解算難度。而后通過反復不斷的測試以及修正，確定本文的計算過程中選用接觸剛度的指數為0.6。
1.3邊界條件的判斷
在本文的解算過程中，解算結果的準確性直接受到汽車發動機相關組合結構的載荷以及邊界位移的相關約束條件準確性的直接影響。為了使發動機組合結構的機體底部可以被完全固定，選擇在其底面定義了全位移約束;為了能夠消除發動機組合結構機體的切向滑移的影響，選擇在其2個側面分別定義了相應的水平位移約束;同時，本文提到穩態研究，主要的研究內容和涉及范圍主要是機械載荷，而機械載荷則其主要是各沖程的爆破壓力以及螺栓的預緊力。
1.4結果和求解
求解計算時，由于發動機組合結構較復雜，當出現計算結果不能收斂的情況，首先要進行劃分網格的方法、尺寸以及相關度等的調整;由于時間步長越小越能保證計算結果的收斂性，所以還要考慮對時間步長進行調整。 除此以外，在具體的求解發動機氣缸墊的表面接觸壓力時不考慮設置發動機各沖程的爆破壓力，以便于對比氣缸墊的表面接觸壓力與實際測試過程中的面壓實驗結果。
計算結果表明，當發動機缸口四周的全壓紋以及螺栓孔附近半壓紋的局部位置應力較大時，能夠導致密封接觸面的變形出現不均勻的情況，從而會嚴重地影響到汽車發動機密封性能。因此在優化調整的過程中應當針對其關鍵影響因素進行改進。
2發動機密封性能影響要素的優化
影響發動機密封性能的最關鍵因素是氣缸墊的壓紋結構和連接發動機組合結構的螺栓預緊力，因此本文也著重研究這兩方面的優化調整。為了確保結果的準確性，對影響發動機密封性能的因素進行調整和優化，可以選用插值法進行，具體的方法是差值一些光滑程度高的曲面以及曲線，由于三次樣條插值具有相對良好的穩定性以及收斂性，本文依托Matlab2010b平臺選用常用的三次樣條插值法進行優化。
2.1氣缸墊壓紋的優化改進研究
對氣缸墊全壓紋結構進行優化調整，將全壓紋的結構參數，以及其對應的相關數據模型正確導入到AN- SYS Workbench中進行解算，從而獲取相應的發動機氣缸墊的縱向變形結果以及其結果的計算云圖。通過計算，當汽車發動機氣缸墊縱向的變形量最大的時候，相應的氣缸墊的全壓紋寬度約為1.83mm，也就是約為0.188mm，并且此時的變形量比原始設計高度要小，因此根據Matlab中的插值解算的預估結果，我們可以認為該全壓紋結構對于提高發動機密封性能是有效的。
2.2螺栓預緊力的結構改進
汽車發動機的組合結構的聯結通常來說由10個高強度螺栓完成，這10個螺栓的規格是公制M10，這種型號的螺栓所能提供的預緊力最大為49333N，因此在調試的過程中施加給每個螺栓的預緊力必須低于49333N且在46667N附近。同時，在調整和改變螺栓的預緊力的過程中，可能會導致發動機氣缸墊產生一些類似翹曲變形的不良現象，為了，避免這個消極影響，在實驗過程中，要注意對稱的位置上調整相應螺栓預緊力，最終實現對發動機各螺栓預緊力的全面調控。 3熱流固多物理場耦合相關研究
首先根據數模的具體結構和實際工況進行截取處理，在實際情況中，由于實驗組件承擔的機械載荷以及熱載荷具有一定的對稱性，因此可以在截取時選擇沿著其3缸和2缸的中心線進行，截取完成之后保留有1缸和2 缸一側，而后，在確保不影響最終解算結果準確性的前提下，可以對發動機組合機構中的一些圓角、倒角以及一些工藝特征等進行一定的變換和簡化處理。
3.1流體場的求解和解算
在具體的實驗和解算過程中，我們主要考慮兩個方面：水套內壁和其中的冷卻液產生的熱對流、機體周圍環境與其外表面的熱對流。而關于水套內壁和其中的冷卻液產生的熱對流的研究中，可以選用自動傳遞熱的方式實現溫度由冷卻液向機體的傳遞。 在機體周圍環境與其外表面的熱對流的研究中，則也可以采自動傳遞熱的方式實現溫度由機體到周圍環境中的傳遞。
3.2瞬態溫度場的解算
通過3.1步驟的計算，可以將其流體場的解算結果導入到瞬態溫度場中，并作為一種邊界條件，而后再根據發動機燃燒室內的壁面所接觸部分溫度與相應的對流熱的系數曲線來進一步確定解算過程中需要的具體對流換熱系數值和溫度值。實驗中，水套的冷卻液發揮降溫的作用，控制了燃燒室的溫度變化幅度和擴散傳播，有較好的溫控和降溫的效果，整體溫度無較大波動。
3.3瞬態結構場的解算
通過3.1步驟的計算，可以將其解算結果導入到瞬態結構場的相關模塊中，作為一種邊界條件，而后在發動機的機體的截取面上定義相應的對稱位移約束，再根據相關的發動機示功圖，確出定發動機各沖程的運行時間以及與之相對的爆破壓力。進而，獲得涵蓋氣缸墊瞬態溫度場、流體場、氣缸墊的瞬態結構場和多物理場耦合等多種結果的變形計算結果及其云圖。
4總結
本文的研究面向實際生活中汽車發動機密封領域的實際情況和問題，靈活運用新興的有限元分析技術針對影響發動機密封性能的關鍵因素進行分析，在分析過程中依托Matlab2010b平臺選用常用的三次樣條插值法進行優化，并研究提出了運用多物理場疊加而來的計算結果優化方法進行可靠性檢驗的辦法，最終通過解算較為準確地得出了更適合汽車發動機密封性能提升的相應氣缸墊壓紋結構類型設計以及其連接螺栓預緊力的值域范圍，為汽車發動機密閉領域研究提供了有意義的探索。
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