發(fā)動機作為汽車的“心臟”，為汽車的行走提供動力, 對汽車的動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保性起著至關(guān)重要的作用。發(fā)動機缸體不僅僅是發(fā)動機的骨架與外殼，同時是發(fā)動機各大部件工作中必不可少的一部分。缸體的作用是支承和保證活塞、連桿、曲軸等運動部件工作時的準(zhǔn)確位置，保證發(fā)動機的換氣、冷卻和潤滑，提供各種輔助系統(tǒng)、部件及發(fā)動機的安裝。
近年來，采用有限元軟件計算評估發(fā)動機缸體強度，已經(jīng)成為各大發(fā)動機設(shè)計單位在設(shè)計階段的主要手段。通過有限元分析明確缸體的危險位置，有針對性的改進設(shè)計，避免重復(fù)性試驗驗證，可以大幅度縮短設(shè)計周期，節(jié)約時間成本、人力成本、資源成本等。
在眾多有限元軟件中，Abaqus以豐富的單元種類、全面的材料模型、大量的接觸與連接類型、強大的非線性求解能力和較強的上下游分析軟件兼容性等優(yōu)點被越來越多的CAE工程師采用。在進行發(fā)動機疲勞耐久仿真分析時，Abaqus能夠提供豐富的單元類型，來準(zhǔn)確模擬缸墊、油膜等高度非線性受載情況，同時也提供了溫度相關(guān)的材料本構(gòu)模型。
本文以某型發(fā)動機為例，采用Abaqus/Standard對缸體疲勞試驗工況進行模擬，快速解決試驗中產(chǎn)生的缸口位置異常開裂問題。
一、達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus介紹
Abaqus是應(yīng)用于解決從簡單（線性）到高度復(fù)雜的工程問題（多物理場非線性）的一套全方位仿真計算能力的有限元軟件。Abaqus預(yù)處理模塊包含了豐富的單元、材料模型類型，并可實現(xiàn)高精度包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及巖土等地質(zhì)材料的工程仿真計算。
在多物理場方面， Abaqus不僅可以求解結(jié)構(gòu)（應(yīng)力/位移）問題，還可以高精度求解熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、電磁分析、巖土力學(xué)分析和壓電介質(zhì)分析等問題。
二、發(fā)動機缸體疲勞試驗
發(fā)動機缸體疲勞試驗是通過向發(fā)動機燃燒室注入的液壓油壓力模擬發(fā)動機爆發(fā)壓力，液壓油壓力同時作用于缸體（缸套）、工藝缸蓋、工藝活塞上，并通過工藝連桿、曲軸傳遞給主軸承壁和主軸承蓋，如圖1。
圖1.缸體疲勞試驗加載方式示意圖
某型發(fā)動機在進行缸體疲勞試驗時，發(fā)生缸口開裂現(xiàn)象，采用Abaqus軟件，選取缸體疲勞試驗的典型工況進行有限元分析，查找問題真因，并提出改進建議。
三、有限元模型建立與邊界條件確定
01、有限元模型
模擬缸體疲勞試驗的有限元模型主要包括缸體、工藝缸蓋、工藝活塞連桿組件、工藝曲軸、主軸承蓋、連接件（螺栓），如圖2。
圖2. 模擬缸體疲勞試驗的有限元模型
模型主要采用二階四面體單元與一階六面體單元建立，由于主要考察缸口位置，所以缸口位置網(wǎng)格需要細(xì)化，需要選取尺寸較小，形狀規(guī)則的單元，以保證求解精度。有限元模型的單元類型選取與規(guī)模見表1所示。
表 1. 各零部件單元類型與節(jié)點數(shù)量
02、材料非線性
材料非線性是指材料具有非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Abaqus軟件支持用戶使用*PLASTIC選項定義金屬材料的塑性性能。*PLASTIC選項中的數(shù)據(jù)將材料的真實屈服應(yīng)力定義為真實塑性應(yīng)變的函數(shù)。同時Abaqus支持在各材料參數(shù)中使用溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如：彈性模量、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變曲線等。為了更準(zhǔn)確的獲得應(yīng)力計算結(jié)果，在分析時缸體材料采用彈塑性數(shù)據(jù)，即試驗獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
圖3. Abaqus界面定義金屬材料塑性數(shù)據(jù)
圖4. 某金屬材料應(yīng)力應(yīng)變曲線
03、裝配關(guān)系的建立
為了體現(xiàn)模型的裝配關(guān)系與零部件間的相互作用，Abaqus支持用戶定義零部件間的接觸行為、綁定約束、捆綁等，其中接觸對的定義按照接觸面之間滑移量的大小分為有限滑移與小滑移。發(fā)動機缸體疲勞試驗?zāi)M分析模型規(guī)模較大，各零部件間的相互作用關(guān)系比較復(fù)雜。為了保證模型的收斂性與求解速度，相互作用的定義按照以下幾點執(zhí)行。
①采用小滑移接觸定義接觸面滑移量較小的接觸行為；
②采用有限滑移接觸定義接觸面滑移量較大，或可以有任意的相對滑動的接觸行為；
③采用綁定約束定義對整體模型尤其是關(guān)注位置影響不大，或者在整個分析過程中始終保持緊密接觸關(guān)系的接觸行為。
04、邊界條件建立
按照真實試驗工況，缸體底部與模擬地板接觸，約束模擬地板底平面節(jié)點和夾具固定位置節(jié)點所有自由度，發(fā)動機燃燒室內(nèi)表面（液壓油作用位置）施加壓強（與試驗油壓相同）。同時按照理想情況作如下假定：
①活塞與缸筒內(nèi)壁接觸，無較大側(cè)向載荷；
②連桿大頭與曲軸之間，曲軸與主軸承壁之間，無相對轉(zhuǎn)動；
③主軸承壁不受側(cè)向載荷。
四、有限元分析結(jié)果
利用Abaqus軟件計算缸體燃燒室內(nèi)高壓油壓力最大時結(jié)構(gòu)上的Mises應(yīng)力，計算結(jié)果表明缸口開裂位置的Mises應(yīng)力較小，在70MPa以下，如圖5所示。
圖5. Mises應(yīng)力計算結(jié)果
根據(jù)計算結(jié)果可知，缸口位置Mises應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的抗拉強度極限，且低于材料的疲勞強度極限。故缸口位置不應(yīng)該發(fā)生開裂破壞，有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果不一致。
五、有限元模擬邊界條件修正
重新查驗試驗裝夾情況，發(fā)現(xiàn)工藝活塞存在裝配間隙過大、加工精度不夠等情況，導(dǎo)致工藝活塞受扭矩作用。因此，模擬仿真的邊界條件需要修正，缸體內(nèi)壁承受側(cè)向力，如圖6所示。
圖6. 有限元模型載荷施加示意圖
Abaqus計算的Mises應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。缸口開裂位置Mises應(yīng)力超過300MPa，高于材料的抗拉強度極限，有限元結(jié)算結(jié)果與缸體疲勞試驗結(jié)果趨勢完全一致。
圖7. 修正載荷后應(yīng)力與變形計算結(jié)果
發(fā)動機缸體疲勞試驗的裝夾工藝嚴(yán)格控制后，經(jīng)過多輪試驗驗證，未發(fā)生缸口位置異常開裂現(xiàn)象。利用Abaqus軟件進行發(fā)動機缸體疲勞試驗?zāi)M分析，有效的解決發(fā)動機缸體缸口位置異常開裂的試驗問題。Abaqus軟件強大的非線性求解能力，能夠精確地模擬發(fā)動機結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)，有效的指導(dǎo)實際生產(chǎn)、試驗中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)強度問題。
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撰稿：成都恒睿
內(nèi)容來源：達(dá)索系統(tǒng)《達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus在發(fā)動機缸體疲勞試驗?zāi)M分析中的應(yīng)用》
參考文獻(xiàn)：
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