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1、分析目的
便携小型发电组被广泛用于矿山、工厂、医院等部门的备用电源，一般以柴油机或汽油机为原动力带动发电机进行发电，所以发动机工作的可靠性对发电机组十分关键，特别发动机缸头的设计，因为其受力工况较复杂，所以设计时必须对其进行可靠性校核。本案例基于SimSolid软件对某6kW发电机组的发动机缸头在不考虑其温度场的情况下进行结构分析，初步校核其静强度。
2、建模说明
2.1 零部件与材料
虽然只分析缸头的强度，但为了考虑螺栓预紧力的影响，模型中除了使用了缸头外，还包括四个安装螺栓、缸垫和缸体，另外还有气门导管和气门座圈，3D数模如图1所示。
图1 三维模型
各个零件使用的材料不一样，各种材料的属性如表1所示。SimSolid中预定义了多种钢材、合金、塑料等材料，还可以手动添加新材料，且可以对新材料进行自由分组，如图2所示。
表1 各零件使用的材料
| 零件 | 材料 | 弹性模量/MPa | 泊松比 | 屈服极限/MPa | 抗拉极限/MPa |
| 缸头、缸体 | ADC12 | 71000 | 0.33 | 185 | 300 |
| 缸垫 | 钢 | 210000 | 0.3 | 207 | 345 |
| 气门座圈、气门导管 | 粉末冶金 | 12000 | 0.3 | / | / |
| 螺栓 | 10Cr | 210000 | 0.28 | / | / |
图2 添加新材料
2.2 接触的定义
SimSolid会在导入3D数模时提示用户是否自动创建相应的接触，用户可依据数模调整间隙量和穿透量，然后软件会自动创建相应的接触。创建后可检查每个接触是否正确定义，有误时可对其进行修改。
图3 创建接触
2.3 载荷与约束的定义
对于缸头，其载荷主要包括螺栓预紧力、缸内燃气压力以及缸内高温燃气引起的热应力，发动机工作时这些载荷是同时作用的，但由于SimSolid暂不能对壁面设置具有空间分布的换热边界（此功能希望今后能被SimSolid考虑），所以分析只考虑了预紧力和燃气压力。预紧力大小为48N.m，燃气压力为4.1MPa，分别如图4所示。
图4 定义载荷与约束
3、计算结果分析
SimSolid软件因为无需划分有限元网格，所以比传统CAE软件的求解速度快很多，且使用普通电脑即可计算，本模型提交计算后几分钟之内即求解完成。分析完成后查看缸头的应力分布和变形分别如图5和图6所示，可以看出最大应力出现在红圈位置，最大应力值为184MPa，小于材料的屈服极限，故结构强度满足要求。但如果考虑热应力的影响，可能会存在一定的失效风险，需要进一步分析。
图5 缸头的应力云图
图6 缸头的变形
4、总结
1）、SimSolid软件是一款比较有开创性的结构分析软件，相对于ABAQUS等分析软件，其最大优势即在于无需划分网格，从而大大减少了建模时间，使得未曾深入学习有限元分析理论的设计工程师也能快速掌握使用。在本例的整个建模中，添加材料、定义载荷等操作都十分方便，特别是接触的自动创建令人十分惊喜。
2）、由于该软件刚面世不久，其功能还有待进一步增强，比如表面的选择上可增加更多选择方式、增加壁面的映射功能、增加铸造残余应力的载荷等等。但相信在Altair公司的带领下，SimSolid的功能将会越来越完善，也会有越来越多的工程师选择使用。
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