基于ansys的485柴油機氣缸墊有限元分析論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　Abstract...............II</p><p><b>　　1 引 言3</b></p><p>　　1.1 課題的背景3</p

2、><p>　　1.2 本文的主要研究內容3</p><p>　　2 有限元法和ANSYS與Pro/E簡介5</p><p>　　2.1 有限元分析方法概述5</p><p>　　2.2 有限元分析的基本思想5</p><p>　　2.3 ANSYS的主要功能6</p><p>　　2.4

3、 ANSYS提供的分析類型7</p><p>　　2.5 Pro/E軟件簡要介紹9</p><p>　　3 485柴油機氣缸墊密封性分析與試驗11</p><p>　　3.1 影響485柴油機氣缸墊密封性的因素11</p><p><b>　　3.2 試驗15</b></p><p&g

4、t;　　3.2.1試驗方法15</p><p>　　3.3.2 試驗原理和環(huán)境16</p><p>　　3.3.3 實驗結果與分析16</p><p>　　4 485柴油機氣缸墊密封性有限元分析18</p><p>　　4.1 實體模型的建立18</p><p>　　4.2 有限元模型的建立22</

5、p><p>　　4.3 邊界條件和載荷的施加23</p><p>　　4.3.1 位移邊界條件23</p><p>　　4.3.2 接觸邊界條件23</p><p>　　4.3.3 載荷邊界條件24</p><p>　　4.3.4 螺栓預緊工況24</p><p>　　4.3.5 工作工況

6、24</p><p>　　4.4 在螺栓預緊工況下有限元計算結果分析25</p><p>　　4.4.1 缸口部位的密封分析26</p><p>　　4.4.2 潤滑油孔的密封分析27</p><p>　　4.4.3 冷卻水的密封分析27</p><p>　　4.5 工作工況的485柴油機氣缸墊受力分析29

7、</p><p><b>　　4.6 結論31</b></p><p>　　5 總結和展望32</p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　1 引言<

8、/b></p><p><b>　　1.1 課題的背景</b></p><p>　　氣缸墊位于氣缸蓋與氣缸體之間，又稱氣缸床，其功用是填補氣缸體和氣缸蓋之間的微觀孔隙，保證結合面處有良好的密封性，進而保證燃燒室的密封 防止氣缸漏氣和水套漏水。該485柴油機采用的是鋼質氣缸墊。 </p><p>　　隨著內燃機的不斷強化，熱負荷和機械負荷

9、均不斷增加，氣缸墊的密封性愈來愈重要。對結構和材料的要求是：在高溫高壓和高腐蝕的燃氣作用條件下具有足夠的強度,耐熱；不少損或變質，耐腐蝕；具有一定的彈性，能補償結合面的不平度，以保證密封，使用壽命長.。</p><p>　　隨著現代機械設計要求的日益提高，將有限元法運用于機械設計和機械運動分析已經成為必然的趨勢，主要體現在：傳統(tǒng)機械設計耗費工時，設計周期較長，產品成本較高。傳統(tǒng)機械設計是在有限的幾個方案中比較或是

10、選擇一個比較優(yōu)秀的方案進行設計的，這就使得設計具有一定的盲目性。將有限元法運用到機械設計中去，可以優(yōu)化零件形狀，降低消耗和成本，提高產品的質量和性能。最為重要的有限元法大大縮短了設計周期，減少了試件的制作。有限元法在產品設計和研究中說顯示出的無比優(yōu)越性，使其成為企業(yè)在市場競爭中的有利工具，已經越來越受到工程技術人員的重視 。</p><p>　　1.2 本文的主要研究內容</p><p>

11、　　ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強大，可靠性好，具有強大的結構分析能力和優(yōu)化設計模塊，因而被國內外大多數機械行業(yè)所采用。本文將基于ANSYS建立485柴油機汽缸墊結構的有限元模型，對汽缸墊結構進行動力學分析。首先，對ANSYS進行了簡要的介紹，為汽缸墊結構的有限元分析做好準備工作；然后，以汽缸墊為研究對象，利用ANSYS建立了汽缸墊實體單元模型，然后利用ANSYS對結構的動態(tài)特性進行研究，并給出分析步驟?；谟邢拊夹g分析鋼

12、質氣缸墊受力情況,精確建立氣缸墊的實體模型并施加合理的邊界條件,在螺栓預緊工況計算結果與試驗結果很好吻合的基礎上,計算了工作工況下485柴油機鋼質氣缸墊的密封性能,計算結果表明:在沒有非金屬材料密封的情況下,本鋼質氣缸墊有滲水的可能性。該結論可以為設計人員在鋼質氣缸墊的設計上提供一定理論依據。</p><p>　　2 有限元法和ANSYS與Pro/E簡介</p><p>　　2.1 有限元

13、分析方法概述</p><p>　　有限元法是一種離散化的數值解法,是用于求解各類實際工程問題的方法。應力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問題及熱力學、流體力學、電磁學以及高速沖擊動力學問題都可以通過有限元法得到解決 。</p><p>　　有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應用于航空器的結構強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣。經過短短數十年的努

14、力，隨著計算機技術的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結構工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術領域，成為一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法 。</p><p>　　20 世紀 60 年代初首次提出結構力學計算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz 法＋分片函數”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況 。不同于求解（往往

15、是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數的 Rayleigh Ritz 法，有限元法將函數定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數），且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。</p><p>　　2.2 有限元分析的基本思想</p><p>　　有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本思

16、想是用較為簡單的問題代替比較復雜的問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互聯子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所替代。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元法不僅計算精度高，而且能適應各種復雜情況，因而有限元分析成為行之有效的工程分析手段 。</p><p&

17、gt;　　有限元法的基本思想可歸結為兩個方面，一是離散，二是分片插值 。</p><p>　　離散就是將一個連續(xù)的求解域人為地劃分為一定數量的單元，單元又稱網格，單元之的連接點稱為節(jié)點，單元間的相互作用只能通過節(jié)點傳遞，通過離散，一個連續(xù)體便分割為由有限數量單元組成的組合體。離散的目的就是將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界轉換條件轉換為只包含有限個節(jié)點變量的代數方程組，以利于用計算機求解。 </p

18、><p>　　有限元法的離散思想借鑒于差分法 ，但做了適當改進。首先，差分法是對計算對象的微分方程和邊界條件進行離散，而有限元法是對計算對象的物理模型本身進行離散，即使該物理模型的微分方程尚不能列出，但離散過程依然能夠進行。其次，有限元法的單元形狀并不限于規(guī)則網格，各個單元的形狀和大小也并不要求一樣，因此在處理具有復雜幾何形狀和邊界條件以及在處理具有像應力集中這樣的局部特性時，有限元法的適應性更強，離散精度更高。 &

19、lt;/p><p>　　變分法是在整個求解域用一個統(tǒng)一的試探函數逼近真實函數，當真實函數性態(tài)在求解域內趨于一致時，這種處理是合理的。但如果真實函數的性態(tài)很復雜，再用統(tǒng)一的試探函數就很難得到較高的逼近精度，或者說要得到較高的精度就需要階次很高的試探函數。同時由于不能在求解域的不同部位對試探函數提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求問題的求解很困難。所以這類方法一般用于求解函數交規(guī)則和邊界條件較簡單的問題。 <

20、/p><p>　　分片插值的思想是有限元法與里茲法的一個重要區(qū)別，它是針對每一個單元選擇試探函數（也稱插值函數），積分計算也是在單元內完成。由于單元形狀簡單，所以容易滿足邊界條件，且用低階多項式就可獲得整個區(qū)域的適當精度。對于整個求解域而言，只要試探函數滿足一定條件，當單元尺寸縮小時，有限元就能收斂于實際的精確解。 </p><p>　　從以上分析可知，有限元法是差分法的一種發(fā)展，又可以看成是

21、里茲法的一種新形式。它兼顧了兩者的優(yōu)點，同時克服了各自的不足，因而具有更大的優(yōu)越性和實用性 。</p><p>　　2.3 ANSYS的主要功能</p><p>　　ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，目前，有限元法從它最初應用的固體力學領域，已經推廣到溫度場、流體場、電磁場、聲場等其他連續(xù)介質領域。在固體力學領域，有限元法不僅可以用于線性靜力分析 ，也可以用于動

22、態(tài)分析，還可以用于非線性、熱應力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問題的研究。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊 。</p><p><b>　　前處理模塊</b></p><p>　　前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內容：實體建模和網格劃分。</

23、p><p><b>　　分析計算模塊</b></p><p>　　分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。</p><p><b>　　后處理模塊</b></p

24、><p>　　后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了200種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。</p><p>　　2.4 ANSYS提供的分析類型</p><p>　　ANSYS軟件提供的分析類型如

25、下 ：</p><p><b>　　結構靜力分析</b></p><p>　　用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析 。</p><p><b>　　結構動力學分析

26、</b></p><p>　　結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。</p><p><b>　　結構非線性分析</b></p><p>　

27、　結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。</p><p><b>　　動力學分析</b></p><p>　　結構動力學分析研究結構在動載荷作用的響應（如位移、應力、加速度等得時間歷程），以確定結構的承載能力的動力特性等。ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的

28、積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產生的應力、應變和變形。</p><p><b>　　熱分析</b></p><p>　　程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱－結構耦合分

29、析能力。</p><p><b>　　電磁場分析</b></p><p>　　主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。</p><p><b>　　流體動力學分析<

30、/b></p><p>　　ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。</p><p><b>　　聲場分析</b></p><

31、p>　　ANSYS把聲學歸為流體，程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結構的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布 ，或預測水對振動船體的阻尼效應。</p><p><b>　　壓電分析</b></p><p>　　壓電效應分析是一種結構－電場耦合分析，給壓電材料加電壓會產生位移，反之使壓

32、電材料振動則產生電壓，一個典型的壓電分析的應用是壓力換能器。ANSYS壓電分析用于分析二維或三維結構對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設備的結構動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析 。</p><p>　　2.5 Pro/E軟件簡要介紹</p><p

33、>　　Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。</p><

34、p>　　Pro/E軟件的主要特性</p><p>　　Pro/E第一個提出了參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠將設計至生產全過程集成到一起，實現并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。</p><p>　　Pro/E采用了模塊方式

35、，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 　　</p><p><b>　　1． 參數化設計</b></p><p>　　相對于產品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數量的構成特征，而每一種構成特征，都可以用有限的參數完全約束，這就是參數化的基本概念。 　　<

36、;/p><p>　　2． 基于特征建模 　　</p><p>　　Pro/E是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 　　</p><p>　　3． 單一數據庫　　</p><p>　　P

37、ro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數據庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數據結構與工程

38、設計的完整的結合，使得一件產品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質量更高，產品能更好地推向市場，價格也更便宜。</p><p>　　3 柴油機氣缸墊密封性分析與試驗</p><p>　　3.1 影響485柴油機氣缸墊密封性的因素</p><p>　　氣缸蓋密封性能的好壞，直接影響發(fā)動機的技術狀況，嚴重時，發(fā)動機的功率急劇下降，甚至無法工作。如當氣缸墊燒損

39、后，發(fā)動機的氣缸壓縮力不足，其轉速明顯下降，并伴有排氣管冒煙(白煙)，水箱中有氣泡產生(且冷卻水消耗過快)，水面上積有機油泡沫等現象。許多維修技術人員不知道氣缸墊片損壞的原因，只知道更換新的氣缸墊片，結果氣缸墊片連續(xù)燒損。更換發(fā)動機氣缸墊片是一項慎之又慎的工作。對于維修技術人員來說，也是一項難度很大的工作。如果不按要求使用氣缸墊片、或不按照正確的操作方法裝配氣缸墊片或裝配前不做出正確的檢查并找出其損壞的原因，所做密封的效果也肯定不會理想

40、?！　?lt;/p><p>　　一、氣缸墊片的使用與安裝不正確</p><p>　　氣缸墊片是裝在發(fā)動機氣缸體和氣缸蓋之間，它的作用是保證燃燒室的密封，防止燃氣、冷卻水和潤滑油躥漏。所以，氣缸墊片的使用與安裝不合乎要求，就直接影響氣缸蓋的密封可靠性和氣缸墊使用壽命。</p><p>　　為了保證密封質量，選用的氣缸墊片必須與原氣缸所配的規(guī)格和厚度相同，表面應平整，包邊貼

41、合牢固，并且沒有劃痕、凹陷、折鄒以及銹污等現象。否則，就會影響氣缸蓋的密封質量。</p><p>　　在更換氣缸墊片時，應在冷機時進行，氣缸蓋有正反面之分，正面比較光滑，反面比較粗糙，裝配時應注意。由于氣缸墊片缸口卷邊一面(反面)有凸出量，對與它接觸的平面會造成壓痕變形。因此，安裝時卷邊的一面(反面)應朝向易修整的接觸面或硬表面(一般氣缸蓋與氣缸體均為鑄鐵時，卷邊(反面)應朝向氣缸蓋;若氣缸蓋為鋁合金，缸體為鑄鐵

42、，卷邊(反面)應朝向氣缸體。)，且定位孔應對準氣缸體的定位銷。對一些高強化、大功率增壓型進口柴油機，所使用的純金屬氣缸墊片，安裝時有記號(如TOP或UP)一面應朝向氣缸蓋(不得用普通缸墊代替)。且缸口、油道口及水道處的彈性凸筋必須完好。</p><p>　　另外，對重新使用的氣缸墊片，因彈性降低以及變形等影響，其密封性能和使用性能將受到影響。所以，一般情況下，氣缸墊片不要重復使用。若要重復使用舊的氣缸墊片時，在裝

43、配前可放在廢機油中加熱到100℃煮0.5H左右。這樣可有效地使氣缸墊片內石棉膨脹，恢復其彈性性能，提高密封性和使用可靠性。</p><p>　　二、氣缸蓋的輕微跳動</p><p>　　氣缸蓋的輕微跳動是在壓縮和燃燒壓力的作用下，氣缸蓋試圖從缸體上分離所造成的結果。這些壓力拉長了氣缸蓋連接螺栓，因此導致氣缸蓋相對與缸體有一個輕微的跳動。這種輕微的跳動就會使氣缸蓋密封墊片發(fā)生放松和壓緊的過程

44、，從而加快了氣缸蓋密封墊片的損壞，影響其密封性能。在正常的情況下，這種輕微的跳動是非常微小的，幾乎等于零。那么，在正常情況下，它對氣缸密封性能的影響也是非常微小的，幾乎等于零。但是，在非正常的情況下，這種跳動對氣缸的密封性能的影響就顯得非常明顯了。</p><p>　　如果氣缸蓋連接螺栓沒有擰緊到規(guī)定的扭矩數值，那么由這種輕微跳動而引起的氣缸墊磨損就會發(fā)生得更快、更嚴重。若連接螺栓過松，就會導致氣缸蓋相對與缸體的

45、跳動量增加。如果連接螺栓被擰的過緊，那么就會造成連接螺栓的受力超過它的屈服強度極限，從而導致連接螺栓的拉長超過它的設計容限值，這樣也會造成氣缸蓋的跳動量增加，加速氣缸蓋密封墊的磨損。使用正確的扭矩規(guī)定值，且按照正確的次序擰緊連接螺栓，就可以使氣缸蓋相對與缸體的跳動降低到最小，從而保證氣缸蓋的密封質量。</p><p>　　三、氣缸蓋或缸體平面度過大</p><p>　　翹曲和扭曲是氣缸蓋常

46、常出現的問題，也是造成氣缸墊片屢燒的主要原因。特別是鋁合金氣缸蓋表現得更為突出，這是因為鋁合金材料具有很高的熱傳導效率，同時氣缸蓋與氣缸體相比，又顯得比較小和薄，那么鋁合金氣缸蓋的溫度上升得快。當氣缸蓋變形時，它與缸體平面接合就會不嚴實，那么，氣缸的密封質量就下降，造成漏氣而燒壞氣缸墊片，從而進一步使氣缸的密封質量惡化。如果氣缸蓋出現嚴重的翹曲變形的話，就必須將其更換掉。</p><p>　　在發(fā)動機大修或更換氣

47、缸墊片時，均應對氣缸蓋和缸體的接合面仔細進行檢查。其一般標準要求為：對于整體式氣缸蓋，在氣缸蓋橫向全長與縱向長度為300MM范圍內平面度≯0.1MM;對于分開式氣缸蓋，在氣缸蓋橫向全長與縱向全長范圍內平面度≯0.15MM。氣缸體在其橫向全長與縱向長度小于600MM的范圍內，其平面度≯0.05MM;氣缸體在其橫向全長與縱向長度大于600MM的范圍內，其平面度≯0.10MM。對于氣缸蓋及缸體平面度超出要求的，應進行修整以達到技術要求。<

48、;/p><p>　　四、氣缸表面冷卻不均勻</p><p>　　氣缸表面不均勻冷卻會形成局部熱點。局部熱點會導致氣缸蓋或氣缸體上小區(qū)域的金屬產生過度膨脹，這種膨脹會使氣缸蓋密封墊片遭到擠壓并損壞。由于氣缸墊片的損壞導致泄露和腐蝕的產生，并最終被燒穿。</p><p>　　如果在還沒有找到產生局部熱點的原因的時候，就更換了氣缸墊片，這將是無濟于事的，因為更換的氣缸墊片最后

49、還是會被燒壞的。局部熱點還會導致氣缸蓋本身產生額外的內應力，其結果使氣缸蓋出現裂紋。如果工作溫度超過了正常的溫度，局部熱點還將產生不可思議的嚴重的負面影響。任何過熱情況都會導致氣缸體鑄鐵件產生永久性的扭曲變形。</p><p>　　由于局部熱點產生的過度擠壓，會使密封墊片上受損壞的部位顯著地變薄。變薄的程度可以通過下述測量方法進行驗證：用測微計測量失效密封墊片受損壞部位的厚度，然后把測出來數據與密封墊片上其它部位

50、的數據進行比較。</p><p>　　如果通過你的檢查發(fā)現在密封墊片上有被擠壓的跡象，這時，就應該進一步檢查氣缸蓋和氣缸體的相應表面，檢查在其相應表面是否有表面損傷。用直尺和塞尺測量氣缸蓋和氣缸體各表面的平面度，如果任何一個表面受到損傷或出現不平現象，在安裝密封墊片時，必須重新修復這些表面，以保證良好的密封性。</p><p>　　五、由冷卻液中的添加劑相關的問題</p>&

51、lt;p>　　當冷卻液中加入冷卻劑時，就有可能會產生氣泡。冷卻系統(tǒng)中的氣泡會導致氣缸蓋密封墊片失效。當冷卻系中有氣泡時，冷卻液便不能在系統(tǒng)中進行正常的循環(huán)，因此發(fā)動機就得不到均勻的冷卻，就會出現局部熱點，使氣缸墊片損壞，導致密封不良。所以，為了能夠實現發(fā)動機的均勻冷卻，加入冷卻劑時，必須把空氣排出發(fā)動機。</p><p>　　有時，冷卻劑可能會對雙金屬材料的發(fā)動機氣缸蓋密封墊片產生一些問題。例如將防腐劑加進

52、到冷卻劑中，可以來保護各種不同的金屬。但在雙金屬材料發(fā)動機中，這種添加劑最后會形成鋁酸鹽，而鋁酸鹽則會附著在散熱器管的內壁，這就會降低冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，還可能導致密封墊片失效。在這種情況下，就需要對管路進行完全徹底的清洗。在更嚴重的情況下，如管路發(fā)生堵塞時，唯一的辦法就是更換散熱器了。在散熱器剛出現問題時，就更換散熱器，要比在發(fā)動機受損后，在檢查或更換氣缸蓋的密封墊片的時候再更換散熱器，通常要經濟和簡單的多。</p>&

53、lt;p>　　有的機手在冬季使用防凍液，夏季時改用水，認為這樣經濟實惠。其實這樣做后患無窮，因為水中的礦物質易產生水垢而粘浮在水套、散熱器和水溫傳感器，使發(fā)動機溫度控制失準而導致過熱，甚至引起發(fā)動機氣缸墊沖壞、氣缸蓋翹曲變形、拉缸和燒瓦等故障。因此，在夏季也應使用防凍液。</p><p>　　六、柴油機維修、裝配質量差</p><p>　　發(fā)動機的維修及裝配質量差，是導致發(fā)動機氣缸蓋

54、密封質量的主要原因，也是造成氣缸墊片燒損的主要因素。為此，在修配發(fā)動機時，要嚴格按照有關要求去做。要正確拆裝氣缸蓋。氣缸蓋拆裝是否正確，是延長氣缸墊的使用壽命和防止氣缸蓋變形的重要保證。</p><p>　　在拆裝氣缸蓋時，應在冷機狀態(tài)下進行，嚴禁在熱機狀態(tài)下拆卸，以防氣缸蓋出現翹曲變形。拆卸時應從兩邊向中間對稱分多次逐漸松開。若氣缸蓋與氣缸體結合牢固取下困難時，嚴禁用金屬物敲擊或用尖銳硬器物嵌入縫口硬撬(有效的

55、方法是用啟動機帶動曲軸旋轉或搖轉曲軸旋轉，靠氣缸內產生的高壓氣體將其頂開)，以防劃傷缸體與氣缸蓋的接合面或損傷氣缸墊。</p><p>　　在裝配氣缸蓋時，首先要清除氣缸蓋與氣缸的接合表面及氣缸體螺栓孔內的油污、炭粒、鐵銹和其它雜質，并用高壓氣體吹干凈。以免產生螺栓對缸蓋的壓緊力不足。在緊固氣缸蓋螺栓時，應分3—4次由中間向兩邊對稱擰緊，最后一次要達到規(guī)定的扭力矩，且誤差≯2%，對于鑄鐵氣缸蓋在熱機溫度達到80℃

56、后，應按規(guī)定力矩再重新擰緊連接螺栓。而對于雙金屬材料發(fā)動機，就應該在發(fā)動機冷卻以后，再進行這樣的重新擰緊操作。</p><p>　　七、選用不適當的燃油</p><p>　　由于不同結構類型的柴油發(fā)動機，對柴油的十六烷值有不同的要求。如果選用的燃油不合乎要求，不僅會造成經濟性和動力性下降，而且還會引起柴油發(fā)動機大量的積炭或不正常的燃燒，導致機體局部溫度過高，造成氣缸墊及機體的燒蝕，使氣缸蓋

57、的密封性能下降。所以，柴油發(fā)動機的柴油十六烷值的選用必須符合使用規(guī)定要求。</p><p>　　八、柴油機使用方法不當</p><p>　　有一些機手因怕發(fā)動機熄火，故在啟動發(fā)動機時，總是連續(xù)猛轟油門，或當發(fā)動機一啟動時就讓發(fā)動機高速運轉，以此來維持發(fā)動機的工作狀態(tài);在車輛行駛過程中，經常脫檔熄火滑行，而后掛檔強制啟動發(fā)動機。在這樣情況下工作的發(fā)動機不僅增加了發(fā)動機的磨損，而且使氣缸內的壓

58、力急劇上升，極易沖壞氣缸墊片，導致密封性能下降。另外，發(fā)動機經常超負荷地工作(或點火過早)，長時間爆震燃燒，造成氣缸內的局部壓力和溫度過高，此時也損壞氣缸墊片，使其密封性能下降。</p><p><b>　　3.2 試驗</b></p><p>　　3.2.1 試驗方法</p><p>　　用FUJI感壓法測試機體頂平面和氣缸墊、氣缸套和氣缸墊

59、之間的接觸壓力。FUJI感應紙分為雙層感應紙和單層感應紙兩種。雙層感應紙由兩層聚脂基中間襯一微囊含液層、彩色形成層組成(見圖1) ;單層感應紙由聚脂基、微囊含液層、彩色形成層組成。</p><p>　　圖3.1　雙層感應紙的結構圖</p><p>　　3.3.2 試驗原理和環(huán)境</p><p>　　當壓力施加在感應紙上時,感應紙中含有彩色液體的微囊破裂,其中的彩色液

60、體在彩色形成層上生成與壓力相對應的彩色圖形,含液微囊通過顆粒尺寸控制技術( PSC)制成對 .于各種不同的壓力等級尺寸,其相應壓力以不同的密度釋放出顏色,從而形成壓力分布圖形。</p><p>　　測試時,將感壓紙置于被測部位,施加壓力,拆下感壓紙,用顯像密度儀和感應讀取儀處理,得到壓力分布數據。對鋼質氣缸墊分別進行螺栓預緊工況下的高壓解析( 130 MPa)和低壓解析( 50 MPa)試驗,試驗條件如表1所示。

61、</p><p>　　表3.1　缸墊試驗條件</p><p>　　3.3.3 實驗結果與分析</p><p>　　面壓試驗高壓解析結果(見圖3.2)表明,缸口部位密封線連續(xù),密封帶最小壓應力發(fā)生在第3 缸最右側,感應紙顯示為黃色,對應于90 MPa的壓力,可以有效地密封氣體; 油孔密封有效壓應力超過30 MPa,可以有效地密封潤滑油;水孔附近為大平面接觸,對水孔很難

62、形成有效密封,在面壓試驗中看不到水孔附近的密封帶。在低壓解析圖(見圖3.3)上可以看到,對冷卻水的密封是依靠缸墊上、下板的凸緣與大平面接觸后形成大于10 MPa的壓力密封帶,形成對冷卻水的間接密封,但是推桿孔側密封帶壓力較小。</p><p>　　圖3.2　鋼質缸墊高壓解析結果</p><p>　　圖3.3 鋼質缸墊低壓解析結果</p><p>　　4 485柴

63、油機氣缸墊密封性有限元分析</p><p>　　4.1 實體模型的建立</p><p>　　為了更好地模擬實際情況,用Pro/E創(chuàng)建485柴油機的機體、缸蓋等主要零件和附件,485柴油機機體模型如圖4.1所示, 485柴油機Pro/E模型如圖4.2所示。用Pro/E畫整機的圖時，先畫下部分的機體，再畫缸蓋，最后再用Pro/E組裝成整機模型。485柴油機整機模型如圖4.3所示, 485柴油機

64、氣缸墊實體照片如圖4.4所示。缸墊的實體模型(見圖4.5)由三層組成,上層和下層有臺階(見圖4.6 ) ,其中對缸墊內部線面接觸的部分做了合理的簡化,避免因在有限元模型中出現線-面接觸而導致計算不收斂現象,其他部位都按照真實缸墊精確造型。</p><p>　　圖4.1　485柴油機機體模型</p><p>　　圖4.2 485柴油機Pro/E模型</p><p>

65、;　　圖4.3 485柴油機整機模型</p><p>　　圖4.4 485柴油機氣缸墊實體照片</p><p>　　圖4.5　485柴油機的實體氣缸墊Pro/E模型</p><p>　　圖4.6　 485柴油機氣缸墊臺階的有限元模型</p><p>　　4.2 有限元模型的建立</p><p>　　該缸墊結構復雜,

66、 最多處有4 層鋼板, 單層厚度小(0.6 mm ) 、面積大,本文采用六面體線形縮減單元劃分。其網格模型如圖4.7所示,鋼質氣缸墊的有限元模型單元數為136363,節(jié)點數為245361。而機體、氣缸蓋等零件用四面體單元劃分,整個組合件模型的單元數為1482978,節(jié)點數為563278。</p><p>　　圖4.7 485柴油機氣缸墊有限元模型</p><p>　　4.3 邊界條件和載

67、荷的施加</p><p>　　在飛輪殼與離合器連接的圓周上取4個對稱的螺栓位置施加y,z方向位移約束,在左懸架的安裝螺栓位置施加全約束, 右懸架的安裝螺栓位置施加x, y方向位移約束,機體和各零件間施加接觸邊界,實現接觸模擬。</p><p>　　約束條件應正確反映實際工況，其合理性對有限元分析非常重要，如施加不合適，有可能導致求解困難或不能求解。約束邊界條件包括位移邊界條件、接觸邊界條件

68、和載荷邊界條件。</p><p>　　4.3.1 位移邊界條件</p><p>　　根據實際情況，約束機體底部的６個自由度，即機體底部完全固定，同時約束機體剖分面的水平位移，模擬對稱邊界條件。</p><p>　　4.3.2 接觸邊界條件</p><p>　　氣缸墊密封是由密封墊受壓發(fā)生變形，并同金屬結構件進行緊密接觸，其接觸力和內壓進行平衡

69、來實現密封效果的。接觸問題是明顯的狀態(tài)非線性，其復雜性是由于系統(tǒng)狀態(tài)的改變，即由物體間接觸、分離造成的。接觸問題的數值方法主要是處理接觸邊界的問題，可采用罰單元法描述接觸問題。從變分角度看，結構的總勢能可表示為：</p><p>　　Π ＝Ｗ ＋Ｗｅ＋Ｑ</p><p>　　式中Ｗ 為應變勢能；Ｗｅ為外力勢能；Ｑ為接觸力勢能。</p><p>　　通過罰單元給出Ｑ

70、的表達式。</p><p>　　定義氣缸墊、氣缸蓋、機體相互接觸的表面之間為面—面接觸、小滑移接觸類型，在接觸屬性中定義庫侖摩擦系數，并設置合理的剛度系數。因為主要研究氣缸墊的接觸，且氣缸墊材料相對于其他零件軟，因此分別定義氣缸蓋和機體為主面（目標面），氣缸墊為從面（接觸面），并相應的細化氣缸墊網格。螺栓為緊固零件，使用 tie 連接將其固定于機體和氣缸蓋上。計算時，程序根據接觸面間在變形后的接觸狀態(tài)，自動進行接

71、觸力的傳遞，由此完成接觸模擬。</p><p>　　4.3.3載荷邊界條件</p><p>　　影響氣缸墊接觸應力的載荷因素主要有螺栓預緊力、燃氣壓力。螺栓擰緊時，在氣缸墊上產生一定的接觸壓力會抵抗燃氣壓力的作用達到密封效果，該壓力的大小決定了氣缸墊密封的可靠性。每氣缸氣缸蓋的各螺栓預緊力一致，定義螺栓的預緊力為最大燃氣壓力的２．５倍左右，即Fbolt＝２．５×ＰπＤ２／４ｎ&l

72、t;/p><p>　　式中 P 為最大燃氣壓力，17MPa ； D為缸徑，85 mm；ｎ為螺栓個數，12個。確定螺栓預緊力為277 kN。</p><p>　　4.3.4　螺栓預緊工況</p><p>　　施加氣缸蓋螺栓、水泵螺栓和飛輪殼螺栓等預緊力,按照設計手冊中螺栓預緊力計算公式可得各種螺栓的預緊力,如表2所示。</p><p>　　4.3.

73、5　工作工況</p><p>　　在螺栓預緊工況的基礎上,施加工作缸的爆發(fā)壓力、主軸承座支反力和機體、缸套和氣缸墊的溫度場。爆發(fā)壓力直接作用在氣缸蓋上,其大小為14. 9 MPa,溫度場計算借用同類機型的實測值,缸墊的缸口部位溫度為527 ℃,在ANSYS中計算得到缸墊的溫度場。</p><p>　　表4.1　機體組件上的螺栓預緊力</p><p>　　4.4 在螺

74、栓預緊工況下有限元計算結果分析</p><p>　　為了和試驗作對比,調整計算結果顯示的壓力范圍與試驗壓應力一致,計算結果如圖4.8、圖4.9所示。對比圖3.2和圖4.8、圖3.3和圖4.9可以看到計算的壓力云圖和面壓試驗結果基本一致。</p><p>　　圖4.8 　485柴油機鋼質缸墊計算結果高壓解析</p><p>　　圖4.9　485柴油機鋼質缸墊計算結果低

75、壓解析</p><p>　　在預緊工況下,各缸壓應力分布基本相同, 1 , 4缸由于有水泵螺栓和飛輪殼螺栓的影響,和2, 3缸稍有不同。在預緊工況下,對缸內氣體、水孔和潤滑油孔的密封情況分析如下文所述。</p><p>　　4.4.1 缸口部位的密封分析</p><p>　　如圖4.11所示,缸口部位密封圈上能夠形成連續(xù)的密封環(huán)帶,并且連續(xù)密封環(huán)上最大壓應力超過15

76、0 MPa,最小壓應力為80 MPa,最小壓應力出現在兩缸之間和靠近推桿孔側,完全滿足對缸內氣體密封的要求。兩缸之間壓力比較薄弱的原因主要是由于第2, 3, 4對缸蓋螺栓的預緊力由2個缸分擔,但是第1, 5對缸蓋螺栓的預緊力僅分別作用于第1, 4缸,使得在相同擰緊力矩下2 , 3 , 4缸套和缸墊接觸壓力減小;推桿孔側壓力比較薄弱,究其原因,一方面,缸口周圍的剛度對其接觸壓力影響很大,從機體的結構上看,推桿孔側剛度相對較弱,導致缸口密封

77、壓力減小;另一方面,推桿孔側缸墊和機體接觸面積比另一側大,也導致缸口部位推桿側接觸比壓下降;還有,推桿孔上有橡膠包邊,在氣缸螺栓預緊力的作用下被壓實,有一定厚度,抵消了一部分螺栓預緊力,減弱了推桿側缸墊上壓應力。</p><p>　　4.4.2 潤滑油孔的密封分析</p><p>　　在油孔附近壓力比較大, 能達到50 MPa以上(見圖4.10) ,但此處沒有必要有這么大的壓力,由于螺栓位

78、于油孔和氣缸之間,氣缸套高出機體頂平面0. 11 mm ,所以在螺栓預緊力的作用下,形成了以氣缸套邊緣為支點,以氣缸蓋為力臂的杠桿,造成油孔處壓力比較大。</p><p>　　4.4.3 冷卻水的密封分析　</p><p>　　和非金屬材料的密封墊片不同,鋼質缸墊剛度大、變形小,對接觸面的平面度要求相對較高。有限元計算結果顯示,在水孔附近沒有形成有效的密封環(huán)帶,而是在缸墊上、下面的臺階部分

79、和機體、氣缸蓋接觸后形成壓力環(huán)帶(見圖4.12 和圖4.13 )形成對冷卻水的密封,從云圖上可以看到,臺階上大于0. 13 MPa的密封帶連續(xù),可以對冷卻水很好密封。但是臺階密封壓力線在推桿孔側比進氣側弱,這是由于推桿孔有橡膠包邊,從而抵消了部分臺階與機體、氣缸蓋的接觸壓力,所以預計在工作狀態(tài)下這個部位有滲水的可能性。</p><p>　　圖4.10　油孔周圍壓力</p><p>　　圖4

80、.11 　缸口部位壓力最小處</p><p>　　圖4.12 　對冷卻水密封的臺階機體側</p><p>　　圖4.13 　對冷卻水密封的臺階氣缸蓋側</p><p>　　4.5 工作工況的485柴油機氣缸墊受力分析</p><p>　　從工作工況計算結果可以看出,爆發(fā)缸缸口部位最小密封壓力達到18 MPa,在兩缸之間和推桿孔一側,能夠對缸

81、內氣體有效地密封(見圖4.14) ;油孔附近密封壓力過大,達到50 MPa以上;缸墊臺階的密封壓力帶在爆發(fā)缸推桿孔側有間斷點(見圖4.15 ) ,所以該缸墊在工作工況下有滲水的可能性,可以針對性的在推桿孔附近水孔部位涂硅橡膠,達到對冷卻水密封的要求。</p><p>　　圖4.14　工作工況下缸口部位的應力分布</p><p>　　圖4.15　 氣缸墊工作工況計算結果</p>

82、<p><b>　　4.6 結論</b></p><p>　?。?)應用在485柴油機上的鋼質氣缸墊, 其密封效果和本身結構及材料有很大關系,機體結構對其影響也很大。本鋼質氣缸墊能夠很好的對燃氣壓力和潤滑油密封,對冷卻水的密封決定鋼質氣缸墊能否應用在強化柴油機上的關鍵。</p><p>　?。?）氣缸墊等效應力結果偏大，會引起凸緣銜接處的應力集中，也不利于

83、墊片材料的回彈，其大小可以通過螺栓預緊力控制。</p><p>　?。?)利用有限元技術,創(chuàng)建精確的485柴油機氣缸墊有限元模型,可以很好地模擬計算鋼質氣缸墊的密封性能,且計算結果和試驗結果比較吻合。</p><p>　　（4)485柴油機氣缸墊在工作過程中有輕微地隨機滲水現象,計算結果很好的證實了這一點,并且在計算模型上可以判斷出滲水部位,從而有針對性的改進缸墊結構。</p>

84、<p><b>　　5 總結和展望</b></p><p>　　一、本文所做工作總結</p><p>　　基于ANSYS的485柴油機氣缸墊有限元分析使我在氣缸墊密封原理以及有限元軟件分析上受到了很好的訓練。對于所學知識，有了一次綜合運用的機會。</p><p>　　學習ANSYS的時間較短，加之英文操作界面，使得在ANSYS的運

85、用上遇到不少困難。首先對課題進行研究，認識到這屬于接觸應力力學分析。在對問題認識清楚后，采用了墊片單元INTER195建立了氣缸墊模型，施加約束后對其進行了密封性分析。</p><p>　　通過這次畢業(yè)設計，我熟悉了 ANSYS 操作步驟，從定義單元類型到建模到結果分析，有了明確的思路和整體的認識。了解了一般問題進行ANSYS求解的步驟方法。而且，我還認識到不同的工程問題，ANSYS 在定義時是根據實際情況定義的

86、，沒有固定的方式、方法。</p><p><b>　　二、工作展望</b></p><p>　　本次畢設是一個工程問題的實際應用型課題，在我國，機械產業(yè)還遠遠沒有達到國際領先水平，并且與之相關的檢測、質保、維護產業(yè)也沒有很好的發(fā)展。近年來，國家對于機械制造業(yè)有了大力的發(fā)展和推動，同時對于其相關產業(yè)也有大幅度的推進。ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強大，可靠性好

87、，具有強大的結構分析能力和優(yōu)化設計模塊，因而被國內外大多數機械行業(yè)所采用。ANSYS作為工程問題解決的重要手段之一，也被得到重視、推廣。ANSYS可以模擬結構力學、熱力學、流體力學、電磁學、聲學等領域的各種復雜物理現象。因此，ANSYS軟件在我國的機械設計與制造、航空航天、交通、化工和能源、電子等行業(yè)得到了巨大的應用，將來會為各領域的科學研究和產品開出做出巨大貢獻。</p><p><b>　　參考文獻

88、</b></p><p>　　[1] 陳家瑞.汽車構造(上冊)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2000:53-54.</p><p>　　[2] 王鳳歧、張連洪.現代設計方法[M].天津:天津大學出版社.2009:70-102.</p><p>　　[3] 傅永華，有限元分析基礎[M]，武漢：武漢大學出版社, 2003:46-76.</p>

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92、逝者如斯，我在邵陽學院的大學四年的學習生活即將結束，驀然回首萬千感慨！</p><p>　　在課題完成之際，首先感謝我尊敬的導師——袁教授，是他的悉心指導，才使得我的課題順利完成。在這三個多月的畢業(yè)設計期間，袁教授不僅在課題的研究方法上指導我，更是鼓勵我對ANSYS的學習。通過頻繁的交流，袁老師讓我對自己迷茫的前途看得清晰。袁老師嚴謹的作風，平易近人的性格都給我十分深刻的印象。我的每一點進步，無不凝聚著導師的巨大

93、心血，是我今后工作和學習的楷模。袁老師對我最后論文的撰寫傾注了大量的心血，從論文的內容、格式、修改直至最終定稿都給予了精心的指導。謹向我尊敬的導師表示最誠摯的謝意。</p><p>　　感謝伏軍老師，唐寧老師，唐維新教授的指導，車輛工程教研室的各位老師所教授的汽車專業(yè)知識是我可能完成這資設計的前提，每次去車輛工程教研室都能得到老師的殷切的指導。</p><p>　　最后，深深感謝我最敬愛的