摘要

某小缸径柴油机在样机设计阶段的有限元计算和部件装配试验中发现预紧状态下缸套变形过大。为满足设计指标要求，应用CAE技术对气缸套变形的影响因素进行计算仿真分析，找出影响该机型缸套变形的主要因素，并进行改进设计，计算数据和部件试验证明了改进方案的有效性。

关键词：柴油机，缸套, 变形，有限元分析

1 概述

研发某新型小缸径V型柴油机，在高爆压、高转速状态下，为避免出现缸套变形过大而导致的早期磨损、漏气量大而影响功率指标、甚至导致拉缸等严重故障的出现，对在装配状态下气缸套的变形量有严格的技术指标要求，其最大椭圆度值应低于25um。

在原理样机设计阶段进行的计算仿真分析和部件变形测量试验的结果，发现气缸套在冷机装配状态下的变形远远超出了设计指标的要求，缸套上、中、下三个部位的椭圆度值分别为38.3、20.0、-31.2um，这一结果证明机体以及气缸套的方案设计远没有达到技术指标的要求，必须进行改进设计。

初步判断导致该机型缸套变形超标的因素有：铝合金弹性模量较低（仅为灰铸铁的二分之一左右）导致机体整体刚度不足，且缸套支撑部位刚度分布不均匀，在预紧状态下整体变形过大，局部的扭曲导致缸套受力不均匀；高爆压使气缸盖紧固螺栓预紧力设计值偏高，缸套受力过大；紧固螺栓的布置对气缸套上端面受力均匀性的影响。

此外，影响缸套变形的直接因素还有：

气缸套的壁厚、结构型式和刚度；机体与缸套之间的支撑结构型式，机体与缸套之间的装配间隙；机体与缸盖之间的密封形式及气缸垫的结构型式等。

为使气缸套在预紧状态下的变形值达到设计指标的要求，针对该机型选取相关的气缸套变形的多种影响因素进行了计算对比分析，找出该机型影响缸套变形的主要因素，开展针对性的改进设计，使缸套变形达到技术指标的要求。

2 原方案计算分析及试验数据

如图1所示为原方案的有限元计算仿真分析模型。因该V型机左右排机体、气缸盖结构、螺栓力等基本对称，只是在曲轴轴线方向相差一错缸距，所以在进行气缸套变形计算时，为减小计算规模，计算选取V型柴油机左排中间缸加1、3两个半缸，在Pro/E wf3软件环境中建立三维装配体模型，所建立的模型由部分机体结构、气缸盖、气缸套、预紧螺栓、气缸垫组成。将三维装配体模型导入Ansys Workbench10.0中建立有限元计算模型。为确保计算精度，各零部件只对影响网格划分质量的细微结构进行了简化，计算选用十节点四面体单元和八节点六面体单元，由有限元程序自动进行网格剖分(图2)。

图1  原方案计算用三维实体模型    

图2    有限元计算网格模型

计算工况为装配预紧工况，所施加的载荷为缸盖四个紧固螺栓的预紧力，其中气缸套与机体、气缸垫与气缸套、气缸盖之间的接触边界条件,由有限元程序根据接触状态自动在接触面上建立。

表1列出了计算所得的组合结构模型在装配预紧工况气缸套的变形值和试验值的结果和对比。椭圆度值正号表示沿曲轴方向拉长，负号表示垂直于曲轴方向拉长。

表1  缸套变形计算与试验数据对比（um）

计算和试验数据对比的结果误差控制在10%以内，证明计算模型正确，满足工程分析要求，后续的分析均采用相同的模型设置。

数据分析表明缸套变形过大，未能满足设计技术指标要求，需要进行进一步的分析和改进。

3 主要影响因素研究

针对该机型的机体、气缸套结构设计各种约束，选取了4个可行的设计方案进行缸套变形的影响因素计算分析，以便找出主要影响因素，对机体、气缸套组合结构进行有针对性的方案设计，使缸套变形能够得到最有效的抑制。

a. 缸体螺栓预紧力大小

螺栓预紧力初始设计为125KN，计算从125KN~110KN，分3个计算步。

b. 缸体螺栓位置布置

如图3所示，缸体螺栓初始设计a/b比值为1.32，调整其终值为1.0，计算范围从1.32~1.0，分3个计算步。

图3  缸体螺栓位置布置示意图

c. 气缸套的壁厚

初始设计为5mm，计算从4mm~6mm，步长为1mm进行。

d. 机体支撑部位的刚度

将机体缸体螺栓压紧区域单独分区，在计算模型中改变其材料属性，弹性摸量E值从68.6GPa~210GPa，选取3个计算步进行。

表2为每个方案中的最终计算步的计算结果列表，表3为各计算数据与原方案数据对比结果。图4为各方案与原方案的数据对比曲线(方案a~d对应1~4，5为原方案结果)。

表2  缸套变形多方案计算最终结果（um）

表3  多方案计算最终结果与原方案对比

从对计算结果的对比分析中，可以得出如下的结论：方案b改变螺栓的布置方式和方案d增加机体支撑部位的刚度，对缸套变形相对于其它两个方案有显著的影响。其中方案b改变螺栓的布置方式效果最明显，对缸套变形的影响最大达到了-32.97%。由此可以证明因为结构设计原因，缸体螺栓位置设计不合理导致预紧力分布不均匀，支撑部位刚度较弱，或者刚度分布不均匀导致机体变形大，进而影响了缸套的变形。

4 改进设计及验证

针对主要影响因素研究的结论，在改进设计方案中，选取改变缸体螺栓位置，使其尽可能达到正四边形的布置，增大机体支撑部位的刚度和降低预紧载荷的方法。具体设计方案为：缸体螺栓位置布置a/b比设计值为1.06；改进机体支撑部位设计结构，在支撑部位加入钢质镶圈，以便提高缸套支撑部位的刚度，将最终的预紧载荷定位为115KN。

针对上述改进重新进行有限元计算分析，计算结果如表4所示。

表4  缸套变形改进方案计算结果

由计算结果可知，综合采用上述改进措施重新设计的机体组合结构方案，缸套变形结果满足了设计技术指标的要求。

5 结论

影响缸套变形的因素有多种，不同类型的组合结构设计方案，起主导作用的影响因素也不同，需要在设计允许的范围内进行多方案的对比分析，找到主要因素以便进行有针对性的改进设计，CAE技术的应用使实现高效、便捷的多方案对比分析成为可能。

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