有限元技术在汽车发动机密封性能研究中的应用

郝宏亮

摘要：选用基于ANSYSWorkbench的有限元分析平台，主要针对某型汽车的发动机系的结构的密闭性进行了重点研究，其中具体涉及发动机气缸垫、气缸盖以及其气缸体的组合结构，阐述了研究过程中所涉及的重要思想和关键技术，并通过ANSYSWorkbench的相关有限元的解算结果为发动机密闭性的提升和优化提供意见，而后对优化之后的性能再次进行解算和检验。通过分析检验结果，发现在对发动机密闭性进行优化的时候，可以从其汽缸垫的压纹结构和相关起联结作用的螺栓着手进行优化和调整，达到了提升发动机密封性能的目的。

关键词：有限元；汽车发动机；密封性能；优化调整中

近年来，国内外相关领域的专家普遍着眼于汽车发动机动力性能、经济性能以及环保性能等热门领域的研究，而对发动机密封性能的研究较少，缺乏大量的研究经验。其中，大多研究为了节省研究成本，仅局限于以气缸垫为研究对象进行密封性能的探讨，并且往往没有对发动机密封性能提供具体的改进依据，也没有利用多物理场耦合对发动机密封性能的研究结果进行可靠性检验，故研究内容缺乏代表性、系统性及借鉴性。本文利用有限元技术对汽车发动机组合结构的密封性能进行研究，将影响发动机密封性能的关键因素进行优化调整、然后再对其进行密封性能提升的可靠性检验，并重点突出汽车发动机密封性能数值模拟研究的关键方法和重要思想，从而能够促进发动机密封行业的发展。

1有限元法概述

1.1有限元法概念说明

首先单就有限元法这一单纯的概念来说，其发展的时间相较于其他概念而言还十分短暂，但是其发展态势却极为迅猛，目前已经涉及了多个学科领域，并且都取得了不错的应用效果。而这一概念也并非是凭空出现的，它的出现是建立在刚架位移法的基础上的，在保留了这一方法的基本思路的同时，又对其加以拓展，于是便形成了所谓的有限元法。而这一方法，排除过于枯燥的部分，我们也可以将之简单地理解为，这种方法便是对一个连续体进行不断的划分，我们将之所划分出的具体部位称之单元，而这多以三角形或是矩形为主，并且其具体的划分次数与最后的结果紧密相关，划分的越多，相应的结果也就更为精确。而在经历过这种划分之后，其整个的连续体在某种意义上就不再是一个完整独立，不可分割的个体，而是由众多细小的单元共同构成的一个整体。而在这其中，则隐藏了许多种类的位移函数。而有限元法下一步要做的就是建立相应的单元刚度方程，来近似的表现其中所蕴含的各种规律。

1.2有限元法优势分析

有限元法具有诸多应用优势，首先其具体的应用领域限制较少，而这则主要是指其应用范围广泛，具有跨领域性，不单单是在机械设计当中，在一些其他领域内，比如说生物或者是物理领域等都有较为广泛的应用。其次有限元法还具有可实现的应用价值。有限元法的原理虽然看似较为简单，具有一定的可行性，但是其中却蕴含着大量的数据的计算，这不是能够依靠人力便可完成的。但却也由于计算机技术的发展，正解决了这一问题，计算机代替了手工的计算，能够支撑起该方法中所涉及到的庞大的计算量，所以也就使得有限元法的这一缺陷得以被弥补，使其能够真正的出现在现实的各个领域当中，所以才称其具有可实现的应用价值，这也是其所具有的，能够真正促进其迅猛发展的不可忽视的优势之一。

1.3有限元法应用发展分析

在未来，有限元法将具有十分广阔的发展前景。而在其具体的应用当中，首先毫无疑问的一点是，相应软件的运行在将来必将会得到进一步的开发，并且其效率也会得到进一步的提升，相应的计算工作得到突破性的优化，使其整体的应用效率得以提升。其次其未来发展也将更加的趋向于综合性的发展，更多的与新兴的技术相互融合，更为智能，更能够贴合现实的应用状况，得出更为准确的结果。最后未来有限元法的应用领域必将会得到进一步的扩展，不单单的局限于其目前所涉及到的应用领域之内，其具体的覆盖性与跨度都将会得到进一步的拓展。

2稳态研究方面的应用

2.1网格划分

本文研究对象为汽车发动机组合结构，由于现代汽车的发动机的构建和组合结构较为复杂，并且具体的发动机构件和组件的外部特征找不到较为明显的规律性，因此在研究开始时需要进行发动机组件的组合结构设计，在此选用网格处理的方式，因此研究初期的重点是要进行科学准确的网格处理方案设计，具体的设计方法是运用分割法，在常用的四面体网格基础上进行再分割，分割过程中重点突出对各组合零件互相接触的表面、如何准确定义接触表面的边界条件、分析提出影响最后解算结果的具体结构特征、选用较小的结构特征对四面体进行相关的网格加密处理以及选用网格稀疏处理对相对不重要的结构特征进行处理。

2.2结构性接触问题

对接触对进行设置，系统会自动在气缸盖、气缸垫及气缸体之间生成相应的接触对，将数模导入ANSYSWorkbench中，首先删除一些可能对解算结果产生干扰的接触以及一些没有价值的接触对，从而保证解算结果的准确性和可靠性。在选择具体的接触类型时，本文选择了适用性较广的线性接触对Bonded，以适应在结算和分析过程中可能由于接触面较大、发动机结构复杂以及不易收敛、计算量大带来的分析和解算难度。

2.3边界条件的判断

在本文的解算过程中，解算结果的准确性直接受到汽车发动机相关组合结构的载荷以及边界位移的相关约束条件准确性的直接影响。为了使发动机组合结构的机体底部可以被完全固定，选择在其底面定义了全位移约束；为了能够消除发动机组合结构机体的切向滑移的影响，选择在其2个侧面分别定义了相应的水平位移约束；同时，本文提到稳态研究，主要的研究内容和涉及范围主要是机械载荷，而机械载荷则其主要是各冲程的爆破压力以及螺栓的预紧力。

2.4结果和求解

求解计算时，由于发动机组合结构较复杂，当出现计算结果不能收敛的情况，首先要进行划分网格的方法、尺寸以及相关度等的调整；由于时间步长越小越能保证计算结果的收敛性，所以还要考虑对时间步长进行调整。除此以外，在具体的求解发动机气缸垫的表面接触压力时不考虑设置发动机各冲程的爆破压力，以便于对比气缸垫的表面接触压力与实际测试过程中的面压实验结果。计算结果表明，当发动机缸口四周的全压纹以及螺栓孔附近半压纹的局部位置应力较大时，能够导致密封接触面的变形出现不均匀的情况，从而会严重地影响到汽车发动机密封性能。因此在优化调整的过程中应当针对其关键影响因素进行改进。

2.5气缸垫压纹的优化改进研究

对气缸垫全压纹结构进行优化调整，将全压纹的结构参数，以及其对应的相关数据模型正确导入到AN-SYSWorkbench中进行解算，从而获取相应的发动机气缸垫的纵向变形结果以及其结果的计算云图。通过计算，当汽车发动机气缸垫纵向的变形量最大的时候，相应的气缸垫的全压纹宽度约为1.83mm，也就是约为0.188mm，并且此时的变形量比原始设计高度要小，因此根据Matlab中的插值解算的预估结果，我们可以认为该全压纹结构对于提高发动机密封性能是有效的。

2.6螺栓预紧力的结构改进

汽车发动机的组合结构的联结通常来说由10个高强度螺栓完成，这10个螺栓的规格是公制M10，这种型号的螺栓所能提供的预紧力最大为49333N，因此在调试的过程中施加给每个螺栓的预紧力必须低于49333N且在46667N附近。同时，在调整和改变螺栓的预紧力的过程中，可能会导致发动机气缸垫产生一些类似翘曲变形的不良现象，为了，避免这个消极影响，在实验过程中，要注意对称的位置上调整相应螺栓预紧力，最终实现对发动机各螺栓预紧力的全面调控。

3总结

本文的研究面向实际生活中汽车发动机密封领域的实际情况和问题，灵活运用新兴的有限元分析技术针对影响发动机密封性能的关键因素进行分析，在分析过程中依托Matlab平台选用常用的三次样条插值法进行优化，并研究提出了运用多物理场叠加而来的计算结果优化方法进行可靠性检验的办法，最终通过解算较为准确地得出了更适合汽车发动机密封性能提升的相应气缸垫压纹结构类型设计以及其连接螺栓预紧力的值域范围，为汽车发动机密闭领域研究提供了有意义的探索。

参考文献：

1. 陈成军,杨国庆,常东方,洪军.面向结合面密封性能要求的装配连接工艺设计[J].西安交通大学学报,2012,(03).

2. 郑辉,张付英.液压往复密封泄漏量的有限元分析[J].机床与液压.2011,(08).

3. 李雨乐,王瑞.浅析有限元软件在机械设计制造中的应用[J].中国战略新兴产业,2018(32):143.