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发动机缸体缸孔变形计算分析
魏丕勇、冀国微、秦向飞、张敬义
（北汽福田汽车股份有限公司，102206）
摘要：本文应用Abaqus软件建立了某发动机缸体分析模型。该模型考虑汽缸垫等非线性因素的影
响，在螺栓预紧力作用下，对安装工艺缸盖、实物缸盖等不同情况下的缸体与缸孔的变形进行了
计算分析，并与测量结果进行了对比，对缸体开发设计和工艺开发有重要的指导意义。
关键词：缸体缸孔变形Abaqus软件
1、前言
缸体是内燃机的关键零部件，节能环保、高强化、轻量化成为当今发动机技术发展趋势。
为了满足高的整车动力性、日益严格的排放法规和节能的需求，发动机的气缸体内的爆发压力持
续增大。高爆发压力造成气缸体的机械负荷大幅度提高，发动机的可靠性、耐久性和振动噪声等
更加恶化。此外，在高的机械负荷作用下缸孔变形加大，气缸孔与活塞的贴合不良，会导致缸孔
的磨损加剧、活塞环密封变差、漏气量上升机油消耗大和排放恶化。为了适应发动机这一发展变
化，在开发设计过程中采用先进技术、合理的材料和结构控制缸孔变形尤为重要。为此，应用先
进计算分析技术对缸体及缸孔变形进行分析，对提高设计开发和工艺开发质量，减少开发周期、
降低成本，确保证发动机及其缸体的工作可靠性、降低摩擦和机油消耗等有着重要的意义。
2、计算方法
应用Abaqus软件建立发动机缸体缸盖气缸垫精确的有限元分析模型。该模型考虑气缸垫等
非线性因素的影响，对缸体缸盖在螺栓预紧力作用下的缸孔变形进行计算分析。
3、模型建立及材料特性
图1所示为发动机缸体缸盖有限元模型，包括：缸体、缸盖、气缸垫、缸盖螺栓等。为了
精确计算缸孔变形，采用全模型进行建模分析。所有单元均采用2阶10节点四面体单元，总单
元数约130万个。
缸盖螺栓
实体缸盖
垫片
缸体
图1.完整的缸体缸盖FEM模型.
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发动机缸垫为多钢片层叠式结构，缸垫由缸垫本体和水道密封筋、回油孔密封筋、螺栓孔密封筋
和缸孔筋等组成，如果按照缸垫实际结构建模分析，计算速度慢，将气缸垫简化为GASKET模型，
通过设置GASKET模型的分析参数模型缸垫各密封筋的非线性特性，因此在保证精度前提下可以
较快的计算速度。
连接方式：缸盖螺栓与螺栓垫块，缸盖螺栓与缸体以及缸盖与螺栓垫块采用Tie连接；缸盖
与缸垫，缸体与缸垫用接触连接。
表1所示为缸体、缸盖各部件的材料名称及线性材料参数.
表1.材料特性.
零件材料弹性模量MPa泊松比密度kg/m3
缸体GJ2501.05E50.287.2E3
缸盖AlSI10MgCu7.3E40.332.75E3
缸盖螺栓40Cr2.1E50.37.8E3
工艺缸盖40Cr2.1E50.37.8E3
4载荷、边界条件
4.1螺栓预载荷
为了减少缸孔变形，在缸体加工时采用的压板珩磨工艺方法，要求工艺缸盖和缸垫尽量模拟
实物缸盖对缸体变形产生的影响，即在缸盖螺栓预载荷作用下，安装工艺缸盖和垫引起的缸孔变
形与实物缸盖和垫引起的缸孔变形之间差别尽量的小。因此仅施加螺栓载荷，螺栓为M12×12.9，
最大预载荷力93.0KN。
4.2约束边界
分析模型采用平面直角坐标系，由于只对缸体缸孔的变形进行分析，因此计算工况对下平面
Uz=0；中间主轴孔Ux、Uy=0分别施加相应的边界约束。计算完成后，建立各缸孔的柱坐标以柱
坐标的形式读取缸孔的变形量。
5结果分析
5.1缸体总体变形结果
如图2、3所示，分别安装实物缸盖垫和工艺缸盖垫，在缸盖螺栓预紧力作用下的缸体变形。
第一第二第三第四
缸缸缸缸
图2.安装实物缸盖下缸体总变形.图3.安装工艺缸盖下缸体总变形.
2
5.2缸孔变形
如图4、5所示，在最大螺钉装配预紧力93.0KN下，分析安装实物缸盖、垫和工艺缸盖、
垫的缸孔变形情况。从图4可看出，1、4缸孔变形较相似，2、3缸孔较相似。缸体顶部缸孔变
形较大，缸体下部缸孔变形较小。在缸盖螺栓力作用下，初始圆形的缸孔变成非圆形。放大看近
似四方形。随着发动机强化程度的提高，气体爆发压力增大（大于180bar），缸盖螺栓预紧力
相应增大，缸孔变形越严重，为抵消实际缸盖螺栓预紧力产生的缸孔变形，目前通常压板珩磨工
艺进行缸体加工。其中工艺缸盖、垫的设计尤为关键。通过FEA可以进行结构评估、优化，预测
方案效果，指导设计开发。
第一缸第二缸第三缸第四缸
图4.安装实物缸盖缸垫的缸孔变形.
第一缸第二缸第三缸第四缸
图5.安装工艺缸盖、垫的缸孔变形.
5.3工艺缸盖与实物缸盖仿真结果对比
根据项目要求，对四缸发动机各缸孔、各个截面的变形做了圆度及傅立叶阶次变形的全面
的分析，本文由于篇幅限制，仅以第2