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達索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus在發(fā)動機缸體疲勞試驗模擬分析中的應用

2019-01-03 23:27:41·  來源：達索系統(tǒng)  
　
作者：張醒國中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院摘要：本文利用達索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus軟件對發(fā)動機缸體疲勞試驗工況進行有限元模擬仿真。通過對試驗結果與有限元
 
作者：張醒國  中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院
 
摘要：
本文利用達索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus軟件對發(fā)動機缸體疲勞試驗工況進行有限元模擬仿真。通過對試驗結果與有限元計算結果的差異對比和原因分析，對有限元分析條件進行修正，從而發(fā)現(xiàn)缸口位置開裂的真正原因，給出相應改進方案，并得到了試驗驗證。
 
關鍵詞：Abaqus 有限元 高周疲勞強度 缸體疲勞試驗
1、前言 
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)動機設計單位在設計階段的主要手段。通過有限元分析明確缸體的危險位置，有針對性的改進設計，避免重復性試驗驗證，可以大幅度縮短設計周期，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的材料本構模型。
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。
2、缸體疲勞試驗簡介 
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。  
3、有限元模型建立與邊界條件確定 
3.1 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
3.2 材料非線性
材料非線性是指材料具有非線性的應力應變關系。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力定義為真實塑性應變的函數(shù)。同時Abaqus支持在各材料參數(shù)中使用溫度相關的數(shù)據(jù)，例如：彈性模量、泊松比、應力應變曲線等。為了更準確的獲得應力計算結果，在分析時缸體材料采用彈塑性數(shù)據(jù)，即試驗獲得的應力應變曲線。
圖3. Abaqus界面定義金屬材料塑性數(shù)據(jù) 
圖4. 某金屬材料應力應變曲線
3.3 裝配關系的建立
為了體現(xiàn)模型的裝配關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)動機缸體疲勞試驗模擬分析模型規(guī)模較大，各零部件間的相互作用關系比較復雜。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系的接觸行為。
3.4 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，無較大側向載荷；
4. 連桿大頭與曲軸之間，曲軸與主軸承壁之間，無相對轉(zhuǎn)動；
5. 主軸承壁不受側向載荷。
4、有限元分析結果 
利用Abaqus軟件計算缸體燃燒室內(nèi)高壓油壓力最大時結構上的Mises應力。計算結果表明缸口開裂位置的Mises應力較小，在70MPa以下，如圖5所示。
圖5. Mises應力計算結果
根據(jù)計算結果可知，缸口位置Mises應力遠遠小于材料的抗拉強度極限，且低于材料的疲勞強度極限。故缸口位置不應該發(fā)生開裂破壞，有限元計算結果與試驗結果不一致。
5、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應力結果如圖7所示。缸口開裂位置Mises應力超過300MPa，高于材料的抗拉強度極限。有限元結算結果與缸體疲勞試驗結果趨勢完全一致。
圖7. 修正載荷后應力與變形計算結果
6、結論 
缸體疲勞試驗的裝夾工藝嚴格控制后，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)動機缸體疲勞試驗模擬分析，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)動機結構的真實受力狀態(tài)，有效的指導實際生產(chǎn)、試驗中出現(xiàn)的結構強度問題。
參考文獻：
1. 石亦平，周玉蓉. Abaqus有限元分析實例詳解.北京：機械工業(yè)出版社，2006.
2. 陳學罡，吳鵬. 發(fā)動機氣缸體疲勞試驗.汽車工藝與材料，2014（1）：32-35.
3. 江丙云，孔祥宏，羅元元.  ABAQUS工程實例詳解. 北京：人民郵電出版社，2014.
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