发动机有限元及疲劳分析.docx

计算机辅助工程

ComputerAidedEngineering

论文所属行业：汽车

发动机有限元及疲劳分析

摘要：某汽油机开发阶段，须对发动机各主要部件结构强度及刚度做全面评价，并且须考核

缸盖缸体的高周疲劳性能。首先基于STRA-CCM+计算出水套内部气体温度和对流换热系

数，然后将其映射到水套有限元网格表面上作为温度边界条件。得到整个机体的温度场分布

以后，在考虑各部件接触非线性的基础上得到机体各部件的应力、变形等结果并进行评价。

最后在有限元结果的基础上考虑材料温度非线性对缸体缸盖疲劳安全系数进行考查。通过分

析发现，缸盖局部应力偏大，下缸体和油底壳接触面局部间隙过大，缸体缸盖疲劳安全性能

满足要求。

关键词：汽油机；缸盖；缸体；有限元法；强度；刚度；非线性；疲劳

中图分类号：U464.1文献标志码：B

FiniteElementandFatigueAnalysisofEngine

Abstract:Duringthedevelopmentofonegasolineengine,itisneedtoevaluatetheintensityand

stiffnessofeverycomponent,andalsothefatigueperformanceofcylinderheadandblock.Firstly,

thegastemperatureandconvectioncoefficientflowareobtainedbaseonSTRA-CCM+，thenthey

aremappedtoFEMgridsofwaterjacket.Consideringnonlinearcontactbetweendifferentparts,

thestressanddeformationdistributioncanalsobeobtainedandevaluatedaftergettingthe

temperaturedistributionofallblock.Finallythefatigueperformanceofcylinderheadandblockis

checkedwithconsideringtemperaturenonlinearofmaterialbasedonfiniteelementresults.

Accordingtoanalysisabove,thelocalstressofcylinderheadandclearancebetweenbedplateand

oilpandontmeetdesire.Thefatigueperformanceofcylinderheadandblockmeetsdesire.

Keywords:gasolineengine;cylinderhead;cylinderblock;FiniteElementMethod;intensity;

stiffness;nonlinear;fatigue

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作者简介：

李相旺，等：发动机有限元及疲劳分析

0引言

键螺栓等，其中缸垫、燃烧室、火花塞、各

部件接触区域均采用六面体单元，其余部分

采用四面体单元。六面体单元数为290000，

在发动机设计开发过程中，通过CAE

总单元数1130000，总节点数446000。

模拟计算来考查气缸盖，气缸体等重要零部

件的强度、刚度以及耐久性和疲劳特性，可

以为发动机机体各部件开发、优化设计提供

1.2边界条件及载荷

依据，并且大大缩短开发周期，避免物理样

机出来后产生严重质量问题。国内外已经有

一些公司采用CAE软件来模拟发动机工作

中的实际工况来考查发动机各零部件的可

靠性与耐久性[1]。

本文先建立发动机机体主要部件的有

限元模型，在考虑各部件接触非线性的基础

上基于Abaqus计算得到各部件的应力、变

形结果，并就我们关心的结果进行评价分

析。然后在有限元结果的基础上考虑材料温

度非线性对缸体缸盖高周疲劳性能进行考

查。

1.2.1热边界条件

在发动机工作过程中，缸盖和缸体水套

中冷却液的流动带走大部分热量。应用CFD

软件STRA-CCM+计算出水套内部气体温

度和对流换热系数，然后将其映射到水套有

限元网格表面上作为温度边界条件。而燃烧

室、进排气道、进排气阀座、上下缸体等则

根据经验和已有的试验数据赋予温度和对

流换热系数值。

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