本发明专利技术属于发动机缸体台架试验技术领域，具体涉及一种基于发动机缸体台架试验的强度性能有限元预测方法；建立发动机缸体、发动机主轴承盖、其他结构有限元模型，根据真实装配关系建立连接关系，将过盈量和间隙量在载荷中定义，螺栓载荷施加定义，液压油油压载荷施加，边界约束条件施加，求解计算有限元模型，根据求解结果对发动机缸体进行评价；本发明专利技术通过有限元仿真方法精准复现发动机缸体台架试验，能够在一定范围内替代缸体台架试验进行发动机缸体强度耐久寿命预测；同时本发明专利技术能够将发动机缸体台架试验工况的强度预测前置至设计阶段，能够与设计完善同时进行，不仅能预报缸体在台架试验工况的通过性，也可以预报其薄弱设计点。计点。计点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于发动机缸体台架试验的强度性能有限元预测方法
[0001]本专利技术属于发动机缸体台架试验
，具体涉及一种基于发动机缸体台架试验的强度性能有限元预测方法。
技术介绍
[0002]发动机缸体作为发动机重要的基础部件，即是安装连杆曲轴等零部件的基座，并且承受气体爆发压力、连杆曲轴系运转、温度等诸多载荷。因此发动机缸体设计既要保证足够大的刚度，也要保证足够高的强度，同时具有良好的疲劳耐久性能，使其在整个发动机的使用寿命周期下保持可靠度。
[0003]为保证发动机缸体在车辆使用周期的耐久性，对发动机进行缸体台架疲劳试验是发动机开发过程中不可或缺的技术手段。但是由于缸体台架试验要在整个发动机完成试制的条件下进行，处于研发设计的后期。试验周期长，人力物力耗费大，多轮次的验证和优化费时费力。并且缸体疲劳试验一般为通过性试验，很难反应缸体结构的受力情况。
[0004]为此需要寻找一种能够精确预测发动机缸体在台架试验条件下的强度性能的方法。以便在设计初期预测缸体在疲劳试验工况条件下的应力分布，从而前置验证阶段，减少试验轮次，缩短时间周期，以满足产品开发需要。
[0005]目前，可以通过两种技术手段评估缸体的疲劳强度性能。
[0006]一种就是在产品开发验证周期的发动机缸体台架试验。缸体台架试验目前是校核发动机缸体强度耐久性能的最主要手段，其主要校核缸体裙部的强度耐久性能。发动机缸体台架试验一般是通过缸体台架试验机将液体油压加载至缸体气缸内或夹具内，并通过活塞、连杆、曲轴等部件传递至主轴承座。通过对油压的调整，形成载荷幅值和载荷频率，从而验证缸体的强度耐久性能。缸体台架试验存在的问题是：
[0007]①
位于产品开发后期，不能有效的指导产品正向开发设计。试验手段严重依赖于缸体和夹具的开发状态，验证不合格，常常会导致产品设计往复，造成大量时间、成本浪费。
[0008]②
试验周期长，成本昂贵。缸体台架试验的验证通过寿命周期在一千万次以上，即使不能通过，往往的周期也在几百万次。结合缸体台架试验机的加载频率，一台发动机缸体的验证时间在十几天，甚至几十天。
[0009]③
缸体台架试验一般为通过性试验。试验结果往往只显示最终破坏位置和破坏周期。如果试验过程不破坏，就不能显示结构薄弱位置。
[0010]④
即使在疲劳试验中粘贴应变片，也只能获得局部结构的应力，并且受结构尺寸和操作空间限制，实际贴片位置未必是破坏位置。
[0011]第二种，是通过有限元方法在设计前期进行仿真模拟，计算缸体的强度。
[0012]当前大多数缸体强度仿真方法是基于发动机实际工作状态的热固耦合分析，这与缸体台架试验存在很大的差异。一般情况下，基于实际工作状态的仿真分析不考虑曲轴连杆的作用，直接将载荷简化到主轴承座位置，并且考虑温度的影响。其存在的问题是从结构到边界条件的施加均与试验有所差异，虽然能在一定程度反应结构的强度性能，但是不能
精准的预测试验条件下的缸体强度性能。
技术实现思路
[0013]为了克服上述问题，本专利技术提供一种基于发动机缸体台架试验的强度性能有限元预测方法；通过有限元仿真方法精准复现发动机缸体台架试验，能够在一定范围内替代缸体台架试验进行发动机缸体强度耐久寿命预测；同时本专利技术能够将发动机缸体台架试验工况的强度预测前置至设计阶段，能够与设计完善同时进行，不仅能预报缸体在台架试验工况的通过性，也可以预报其薄弱设计点。
[0014]一种基于发动机缸体台架试验的强度性能有限元预测方法，包括如下内容：
[0015](一)有限元分析模型建立
[0016]S1、建立发动机缸体有限元模型；
[0017]S2、建立发动机主轴承盖有限元模型；
[0018]S3、建立发动机其他结构有限元模型，包括发动机缸体台架试验涉及的全部发动机零部件结构和夹具；
[0019]S4、根据真实装配关系建立零部件之间的连接关系，其中除螺栓螺纹连接采用特殊接触关系定义以外，其他均为通用接触关系；
[0020]S5、定义有限元模型材料，其中定义各零部件有限元模型材料的弹性模量E和泊松比μ；
[0021](二)载荷边界条件施加
[0022]S6、将有限元计算装配关系中的过盈量和间隙量在载荷中进行施加定义；
[0023]S7、螺栓载荷施加定义
[0024]普通螺栓为弹性区紧固，螺栓预紧力采用下述公式计算得到，作用方向沿螺栓的轴向：
[0025][0026]式中，F为螺栓预紧力，T为螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，D为螺栓直径；
[0027]发动机缸盖和主轴承盖螺栓紧固方式为扭矩加转角形式，为屈服紧固，螺栓预紧力采用下述公式计算得到，作用方向沿螺栓的轴向；
[0028][0029]式中，F1为螺栓预紧力，σ
y
为螺栓屈服点应力，A
s
为螺栓公称应力截面积，d
A
为螺栓公称应力截面积的等效直径，p为螺距，μ
s
为螺纹摩擦系数，d2为螺纹中径，α
′
为螺纹牙侧角；
[0030]S8、液压油油压载荷施加：按照试验条件，在试验缸盖和试验缸体间形成油腔，表面施加液压油压力值；
[0031]S9、边界约束条件施加：按照不同阶段，分别约束缸体上表面和夹具支架固定点全部自由度；
[0032](三)静力学求解和评价
[0033]S10、求解计算有限元模型
[0034]采用牛顿法进行非线性静力学求解，计算各个结构的应力、变形；
[0035]所述步骤S10中求解载荷步设置为：
[0036]1)装配工况1：缸体、主轴承盖、主轴承盖螺栓、活塞、连杆、曲轴、夹具装配；
[0037]2)装配工况2：缸盖、缸垫、缸盖螺栓装配；
[0038]3)载荷工况1：试验波动载荷最大油压模拟；
[0039]4)载荷工况2：试验波动载荷最小油压模拟；
[0040]S11、根据所述步骤S10的求解结果，对发动机缸体进行评价：分别评价缸体结构在装配工况1+装配工况2+载荷工况1以及装配工况1+装配工况2+载荷工况2下应力状态。
[0041]所述步骤S1中，要保证发动机缸体和其他零部件接触边界清晰，特别是保证主轴承盖、主轴瓦和缸体接触面网格一一对应；
[0042]所述步骤S1中，要保证缸体通风孔、止口位置，总体网格尺寸小于2mm，同时确保倒圆角圆周方向网格份数在8份以上，网格长宽比不大于1.5。
[0043]所述步骤S2中，要保证主轴承盖顶部圆角的网格划分份数在6份以上，网格长宽比不大于1.5。
[0044]所述步骤S3中，发动机其他结构包括缸盖、缸垫、活塞、连杆、曲轴、轴瓦、螺栓；其中缸垫采用单层实体网格建立，并将压波部分进行单独分组；螺栓采用六面体网格划分，不体现螺纹特征；主轴瓦采用2层六面体网格划分，体现油孔特征，不体现本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于发动机缸体台架试验的强度性能有限元预测方法，其特征在于，包括如下内容：(一)有限元分析模型建立S1、建立发动机缸体有限元模型；S2、建立发动机主轴承盖有限元模型；S3、建立发动机其他结构有限元模型，包括发动机缸体台架试验涉及的全部发动机零部件结构和夹具；S4、根据真实装配关系建立零部件之间的连接关系，其中除螺栓螺纹连接采用特殊接触关系定义以外，其他均为通用接触关系；S5、定义有限元模型材料，其中定义各零部件有限元模型材料的弹性模量E和泊松比μ；(二)载荷边界条件施加S6、将有限元计算装配关系中的过盈量和间隙量在载荷中进行施加定义；S7、螺栓载荷施加定义普通螺栓为弹性区紧固，螺栓预紧力采用下述公式计算得到，作用方向沿螺栓的轴向：式中，F为螺栓预紧力，T为螺栓拧紧力矩，k为螺栓拧紧力矩系数，D为螺栓直径；发动机缸盖和主轴承盖螺栓紧固方式为扭矩加转角形式，为屈服紧固，螺栓预紧力采用下述公式计算得到，作用方向沿螺栓的轴向；式中，F1为螺栓预紧力，σ
y
为螺栓屈服点应力，A
s
为螺栓公称应力截面积，d
A
为螺栓公称应力截面积的等效直径，p为螺距，μ
s
为螺纹摩擦系数，d2为螺纹中径，α
′
为螺纹牙侧角；S8、液压油油压载荷施加：按照试验条件，在试验缸盖和试验缸体间形成油腔，表面施加液压油压力值；S9、边界约束条件施加：按照不同阶段，分别约束缸体上表面和夹具支架固定点全部自由度；(三)静力学求解和评价S10、求解计算有限元模型采用牛顿法进行非线性静力学求解，计算各个结构的应力、变形；所述步骤S10中求解载荷步设置为：1)装配工况1：缸体、主轴承盖、主轴承盖螺栓、活塞、连杆、曲轴、夹具装配；2)装配工况2：缸盖、缸垫、缸盖螺栓装配；3)载荷工况1：试验波动载荷最大油压模拟；4)载荷工况2：试验波动载荷最小油压模拟；S11、根据所述步骤S10的求解结果，对发动机缸体进行评价：分别评价缸体结构在装配工况1+装配工况2+载荷工况1以及装配工况1+装配工况2+载荷工况2下应力状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于发动机缸体台架试验的强度性能有限元预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，要保证发动机缸体和其他零部件接触边界清晰，...
【专利技术属性】
技术研发人员：武斌，张醒国，沈宇航，蔡存朋，
申请(专利权)人：中国第一汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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