内燃机缸盖开发的系统工程探微范文

1缸盖CAE开发体系与流程

图1为缸盖开发CAE体系与流程图，主要包括CFD、可靠性、铸造、结构NVH等四个技术领域；这些分析与优化过程往往相互交织，互相提供输出输入的边界条件、参数等；如燃烧室CFD、水套CFD计算为温度场分析提供流体侧热边界条件，温度场分析为热疲劳提供边界条件，铸造分析为强度、寿命分析提供残余应力输入等。后文章节将分别对缸盖主要CAE分析内容进行具体的描述。

2缸盖CFD与流固耦合分析

对于缸盖设计的CFD分析主要有:气道的CFD分析，燃烧室的CFD分析及冷却水套的CFD分析。流体通用控制方程为当取不同值时上式就可以表达为连续方程、动量守恒（NS）方程、能量守恒方程及湍流输运方程。上式各项从左到右依次为：非稳态项，对流项，扩散项及源项。

2.1气道及燃烧室CFD分析

三维气道及燃烧室CFD分析用于预测气道及缸内气体流动、喷雾及燃烧过程，为气道及燃烧室形状优化、缸内油气混合过程改善、喷油器选

型及电控标定参数优化提供技术参考，对后期A样机的燃烧性能开发提供重要的技术数据。气道流动计算采用Fluent软件，分别计算不同气门升程下的缸内流动分布形态并评价流量系数及滚流比等；图3为缸孔36mm高度处横截面的燃气速度分析结果与粒子图像速度测试（PIV）的对比情况。缸内流动、喷雾及燃烧计算采用Star-CD软件，该CFD分析计算应用的子模型见表1。通过计算可以得到不同曲轴转角的进气及缸内流动分布、湍流运动、燃油喷射雾化、燃料浓度分布、当量比分布、火焰传播、燃气压力及温度分布等。图4为在发动机1500r/min@满负荷工况下，缸内燃气温度在曲轴转角740度时刻分布以及仿真结果与测试结果的曲线对比。该项分析也为温度场分析提供气道及燃烧室侧的热边界条件。2.2缸盖水套CFD分析发动机水套内冷却液的流动状况直接影响发动机热效率、高温零部件的热负荷、发动机的热量分配和能量利用。缸盖水套分析必须与缸体水套、缸垫孔一起进行，主要目的是评估缸盖水套的流动状况、流量分布等。

三维的CFD计算需要从冷却系统的一维仿真分析得到相关数据输入（如额定转速下，水套各进、出口处的流量、压力等数据）；计算介质为冷却液，需要输入冷却液随温度变化的属性，如密度、粘度、导热系数等。如图5所示为额定工况下，缸盖水套的冷却液速度分布图。一般要求消除流动死区和速度梯度过大的区域；评估各缸流速分布的均匀性等。图6为额定工况下缸盖水套壁面换热系数HTC的分布图。对于缸盖热负荷较高的关重区域（如缸盖鼻梁区、火花塞区）换热系数一般都有最低数值要求。由于缸盖不同区域温度不同，CFD沸腾计算较困难，通常采用定常计算，并对分析结果做如下处理：通过流场分布可以找出那些临界区域，也就是那些热负荷高但流速比较缓和的区域。通过优化这些区域冷却液的流动，保证产生的气泡能被及时传送出去。通道狭窄的区域，为了保证气泡的传输，局部流速应更高。

2.3流固耦合温度场分析

流固耦合分析以及3.1节的高周疲劳计算一般都在整机状态下(包括缸体、缸垫、连接螺栓等)进行。首先，提取有限元实体网格的燃气侧、水套侧面网格单元数据；然后，将该数据导入到CFD软件，通过对CFD计算结果的时效平均映射得到初始流固耦合壁面的流体温度与换热系数。对于缸盖水套的换热系数的大小主要取决于壁面附近的流体边界层性质。在壁面温度较低而不会出现气泡或沸腾时，其换热性质可参照传热中的一般湍流放热来进行分析和估算；这时的情况是表面水流速度愈高边界层厚度愈小，放热系数值越大。但当壁面温度及水温较高而接近水的饱和温度时，其对流换热性质就开始变化而具有沸腾放热的特征。由以上基本理论可知：对于缸盖流固耦合温度场分析，需要对水套CFD初始热边界的换热系数进行修正，修正公式为。另外，由于水套CFD计算时初始壁面温度为假设值；所以，一般需要对流固耦合边界数据进行多次地循环映射，直到最后两次迭代运算的温度场差异小于5%左右即可。机体温度是衡量发动机性能能否保持正常且可靠工作的核心参数之一。缸盖底板中心区一直受到燃气的加热，工作温度较高且不均匀性较大。图8为缸盖在额定工况下的温度场分布；与测试结果的差异小于5%。一般根据缸盖材料的实际高温力学特性，确定最高温度上限值。图9为排气门导管区域局部温度图；由于在A样机试验阶段出现排气门导管磨损超标的状况，对该处温度进行了重点的关注与排查；如排气门导管上部或下部温度过高，可能会带来由于耐磨性下降或润滑不良导致的磨损问题。该排气门为中空充钠设计，液态钠的热导率参数设置对导管温度计算结果影响较为明显。

3缸盖强度CAE分析

3.1缸盖高周疲劳分析

缸盖高周疲劳分析是指在相对稳定的高温状态下（一般取额定工况，忽略表面温度的高频波动），以各缸燃烧压力冲击导致的应力幅值为主要参数进行的安全强度评估；主要步骤如下：步骤一：施加装配载荷：包括螺栓预紧力、气门座圈过盈、气门导管过盈量等，以及位移约束等；步骤二：对有限元模型映射2.3节的温度场结果，热应力与步骤一装配应力的合应力作为高周安全系数计算的常应力工况；后序的步骤是:分别对各缸的燃烧室面施加最大燃气爆发压力（设计阶段一般采用热力学模拟缸压数据）；图10为模拟与实测的额定转速缸压曲线图，可见两者十分相近，模拟缸压在峰值处略高于实测缸压）。根据各缸爆压工况的应力结果，合成出缸盖在工作状态下的平均应力及应力幅值。最后根据以上计算的应力结果，再应用FEMFAT软件的BASIC模块，输入缸盖材料的力学性能参数（包括拉伸、压缩、弯曲、剪切等状态），并选择温度、粗糙度、尺寸等计算因素，即可计算出缸盖的高周疲劳安全系数分布图（图11，最小安全系数为1.59，位于中间缸燃烧室的背部）。

3.2缸盖低周疲劳分析

低周疲劳也称应变疲劳，主要采用应变作为其疲劳性能的控制参量。对于缸盖低周疲劳分析，一般是参照发动机冷热冲击循环试验工况进行计算设置，以温度为变量的可靠性分析手段。首先，分别计算在怠速工况（或常温）以及额定转速（或最高转速）工况下的温度场分布；然后，再计算在温度循环波动状态下的结构应力应变变化情况；然后，根据应变幅值结果以及材料的应变-寿命（E-N）曲线，评估出结构能够受的循环次数（根据循环周期，即可推算出寿命时间）。材料的高温力学性能参数对于精准的低周疲劳分析是十分关键的；主要需要以下材料数据：弹性模量、应力应变曲线（图12），热膨胀系数、循环应变硬化指数等。大多数金属材料，在横幅对称应变循环数达到一定次数后，应力-应变响应逐渐趋于稳定，形成稳态滞后环。所以，对于缸盖低周疲劳分析，一般要进行20次以上的冷热循环工况计算，输出结果才会趋于稳定。图13为缸盖低周疲劳计算的冷热工况循环示意图，图中Rated表示额定工况转速，Idle为怠速工况。由于缸盖有限元模型规模较大（单元节点数高达60-100万个），对整体模型开展低周疲劳计算周期会太长；为此，对于缸盖低周疲劳计算一般采用子模型方法（ABAQUS软件的SUBMODEL功能），实践表明该方法能提高计算效率200%左右。对于缸盖燃烧室区域，其温度、载荷波动最大，也是缸盖结构最为关重的区域；图14为本次低周疲劳分析截取的缸盖子模型。表2为图14中两处标注的关重区域（火花塞处①、喷油器处②）低周疲劳寿命分析评估结果；通过该表可知，该缸盖的循环次数Nf满足工程设计要求（对应发动机300h的冷热冲击试验工况）。

4缸盖铸造CAE分析

缸盖铸件的许多铸造缺陷是由于浇注系统和工艺的不完善导致的。铸造过程的金属液充型阶段对铸件质量有很大的影响，卷气、夹渣、浇不足、冷隔等严重的铸造缺陷都发生在充型阶段。本文在缸盖开发早期，通过对其毛坯进行铸造充型CAE分析，预测充型阶段金属液在可以对铸造浇道、冷却系统等进行评估与优化，以及预测缺陷发生、残余应力等。本文铝合金缸盖产品采用重力倾转铸造工艺，铸造模具设备如图15所示；表3为铸造分析的主要工艺参数。本文的铸造CAE分析采用MAGMA软件，FDM模型网格数达到1440万。高温铝液被假设成不可压缩的牛顿流体，可用连续方程、运动方程和能量方程描述。充型过程金属液自由表面问题的处理采用体积函数法图16为2.5s时刻铝液的流速图；通过流速分布来评判流动形态状况（如层流、紊流等）、对砂芯的冲击以及可能发生的卷气情况。图17为2.5s时刻铝液温度分布图。通过铸造CAE多方案的比对分析，对浇道长度、浇注起始角度、溶液流入口位置等方面提出了有效的优化建议。

5缸盖结构NVH分析

缸盖结构不仅要满足强度要求，也要达到一定的刚度指标，这两个方面相互影响；在开发早期可通过仿真手段进行评估与优化。缸盖结构NVH分析主要包括自由模态分析与频响分析。缸盖自由模态分析主要关注第一阶扭转频率，并与对标机缸盖进行对标。本文缸盖初始结构的第一阶扭转模态频率为1594Hz；通过增加火花塞安装凸台与螺栓安装凸台的斜向连接筋措施优化（图18），第一阶扭转频率提高至1880Hz，略高于对标机。缸盖频响分析是对结构的相应加载点分别施加燃烧爆发压力、凸轮轴承力和气门落座力（采用企业数据库的标准激励）等载荷，计算得到速度级等响应结果。图19为缸盖频响分析加载点位置示意图；图20为缸盖频域响应结果与主要扭振模态振型的关联示意图；图21为缸盖结构优化前后的1/3倍频程速度级响应曲线对比，从图中可以看出在能量最大频段（3500-4000Hz），优化后缸盖的速度级响应值降低了8.3dB。

6结论

（1）燃烧CFD以及水套CFD计算为温度场分析提供流体侧热边界；考虑冷却液沸腾换热等因素，通过多轮流固耦合迭代运算，得到精准的温度场结果（与测试结果误差小于5%）。（2）缸盖的高周疲劳安全系数以及低周循环寿命结果均满足设计要求；通过NVH分析，对缸盖结构进行了刚度优化。（3）铸造CAE分析对缸盖浇道系统提出了有效的改进措施。（4）综合缸盖多领域仿真理论与实践提出了“缸盖开发CAE仿真体系与流程”；证明该套仿真方法可有效地提高企业的自主研发水平。

作者：杨怀刚胡铁刚詹樟松余训蒋树辉郑建军贾正锋杨勇徐熹郝涛单位：重庆长安汽车股份有限公司动力研究院