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1、目录摘 要IAbstract.II1 引 言31.1 课题的背景31.2 本文的主要研究内容32 有限元法和ANSYS与Pro/E简介52.1 有限元分析方法概述52.2 有限元分析的基本思想52.3 ANSYS的主要功能62.4 ANSYS提供的分析类型72.5 Pro/E软件简要介绍93 485柴油机气缸垫密封性分析与试验113.1 影响485柴油机气缸垫密封性的因素113.2 试验153.2.1试验方法153.3.2 试验原理和环境163.3.3 实验结果与分析164 485柴油机气缸垫密封性有限元分析184.1 实体模型的建立184.2 有限元模型的建立224.3 边界条件和载荷的施加
2、234.3.1 位移边界条件234.3.2 接触边界条件234.3.3 载荷边界条件244.3.4 螺栓预紧工况244.3.5 工作工况244.4 在螺栓预紧工况下有限元计算结果分析254.4.1 缸口部位的密封分析264.4.2 润滑油孔的密封分析274.4.3 冷却水的密封分析274.5 工作工况的485柴油机气缸垫受力分析294.6 结论315 总结和展望32参考文献33致谢341 引言1.1 课题的背景气缸垫位于气缸盖与气缸体之间，又称气缸床，其功用是填补气缸体和气缸盖之间的微观孔隙，保证结合面处有良好的密封性，进而保证燃烧室的密封 防止气缸漏气和水套漏水。该485柴油机采用的是钢质气
3、缸垫。 随着内燃机的不断强化，热负荷和机械负荷均不断增加，气缸垫的密封性愈来愈重要。对结构和材料的要求是：在高温高压和高腐蚀的燃气作用条件下具有足够的强度,耐热；不少损或变质，耐腐蚀；具有一定的弹性，能补偿结合面的不平度，以保证密封，使用寿命长.。随着现代机械设计要求的日益提高，将有限元法运用于机械设计和机械运动分析已经成为必然的趋势，主要体现在：传统机械设计耗费工时，设计周期较长，产品成本较高。传统机械设计是在有限的几个方案中比较或是选择一个比较优秀的方案进行设计的，这就使得设计具有一定的盲目性。将有限元法运用到机械设计中去，可以优化零件形状，降低消耗和成本，提高产品的质量和性能。最为重要的
4、有限元法大大缩短了设计周期，减少了试件的制作。有限元法在产品设计和研究中说显示出的无比优越性，使其成为企业在市场竞争中的有利工具，已经越来越受到工程技术人员的重视 。1.2 本文的主要研究内容ANSYS是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠性好，具有强大的结构分析能力和优化设计模块，因而被国内外大多数机械行业所采用。本文将基于ANSYS建立485柴油机汽缸垫结构的有限元模型，对汽缸垫结构进行动力学分析。首先，对ANSYS进行了简要的介绍，为汽缸垫结构的有限元分析做好准备工作；然后，以汽缸垫为研究对象，利用ANSYS建立了汽缸垫实体单元模型，然后利用ANSYS对结构的动态特性进行研究，并给出分
5、析步骤。基于有限元技术分析钢质气缸垫受力情况,精确建立气缸垫的实体模型并施加合理的边界条件,在螺栓预紧工况计算结果与试验结果很好吻合的基础上,计算了工作工况下485柴油机钢质气缸垫的密封性能,计算结果表明:在没有非金属材料密封的情况下,本钢质气缸垫有渗水的可能性。该结论可以为设计人员在钢质气缸垫的设计上提供一定理论依据。2 有限元法和ANSYS与Pro/E简介2.1 有限元分析方法概述有限元法是一种离散化的数值解法,是用于求解各类实际工程问题的方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的、非线性的问题及热力学、流体力学、电磁学以及高速冲击动力学问题都可以通过有限元法得到解决 。有限元法最初被称为矩阵
6、近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法 。20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz 法分片函数”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况 。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的 Rayleigh Ritz 法，有限元
7、法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。2.2 有限元分析的基本思想有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本思想是用较为简单的问题代替比较复杂的问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互联子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所替代。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元法不仅计算精度高，
8、而且能适应各种复杂情况，因而有限元分析成为行之有效的工程分析手段 。有限元法的基本思想可归结为两个方面，一是离散，二是分片插值 。离散就是将一个连续的求解域人为地划分为一定数量的单元，单元又称网格，单元之的连接点称为节点，单元间的相互作用只能通过节点传递，通过离散，一个连续体便分割为由有限数量单元组成的组合体。离散的目的就是将原来具有无限自由度的连续变量微分方程和边界转换条件转换为只包含有限个节点变量的代数方程组，以利于用计算机求解。 有限元法的离散思想借鉴于差分法 ，但做了适当改进。首先，差分法是对计算对象的微分方程和边界条件进行离散，而有限元法是对计算对象的物理模型本身进行离散，即使该物理
9、模型的微分方程尚不能列出，但离散过程依然能够进行。其次，有限元法的单元形状并不限于规则网格，各个单元的形状和大小也并不要求一样，因此在处理具有复杂几何形状和边界条件以及在处理具有像应力集中这样的局部特性时，有限元法的适应性更强，离散精度更高。 变分法是在整个求解域用一个统一的试探函数逼近真实函数，当真实函数性态在求解域内趋于一致时，这种处理是合理的。但如果真实函数的性态很复杂，再用统一的试探函数就很难得到较高的逼近精度，或者说要得到较高的精度就需要阶次很高的试探函数。同时由于不能在求解域的不同部位对试探函数提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求问题的求解很困难。所以这类方法一般用于求解函数
10、交规则和边界条件较简单的问题。 分片插值的思想是有限元法与里兹法的一个重要区别，它是针对每一个单元选择试探函数（也称插值函数），积分计算也是在单元内完成。由于单元形状简单，所以容易满足边界条件，且用低阶多项式就可获得整个区域的适当精度。对于整个求解域而言，只要试探函数满足一定条件，当单元尺寸缩小时，有限元就能收敛于实际的精确解。 从以上分析可知，有限元法是差分法的一种发展，又可以看成是里兹法的一种新形式。它兼顾了两者的优点，同时克服了各自的不足，因而具有更大的优越性和实用性 。2.3 ANSYS的主要功能ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，目前，有限元法从它最初应用的固
11、体力学领域，已经推广到温度场、流体场、电磁场、声场等其他连续介质领域。在固体力学领域，有限元法不仅可以用于线性静力分析 ，也可以用于动态分析，还可以用于非线性、热应力、接触、蠕变、断裂、加工模拟、碰撞模拟等特殊问题的研究。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块 。前处理模块前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。分析计算模块分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物
12、理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了200种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。2.4 ANSYS提供的分析类型ANSYS软件提供的分析类型如下 ：结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析
13、。结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。动力学分析结构动力学分析研究结构在动载荷作用的响应（如位移、应力、加速度等得时间历程），以确定结构的承载能力的动力特性等。ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这
14、些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。流体动力学分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个
15、节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。声场分析ANSYS把声学归为流体，程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布 ，或预测水对振动船体的阻尼效应。压电分析压电效应分析是一种结构电场耦合分析，给压电材料加电压会产生位移，反之使压电材料振动则产生电压，一个典型的压电分析的应用是压力换能器。ANSYS压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流
16、）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析 。2.5 Pro/E软件简要介绍Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国
17、内产品设计领域占据重要位置。Pro/E软件的主要特性Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。 1 参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征
18、，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 2 基于特征建模 Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 3 单一数据库Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上
19、。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。3 柴油机气缸垫密封性分析与试验3.1 影响485柴油机气缸垫密封性的因素气缸盖密封性能的好坏，直接影响发动机的技术状况，严重时，发动机的功率急剧下降，甚至无法工作。如当气缸垫烧损后，发动机的气缸压缩力不足，其转速明显下降，并伴有排气管冒烟(白烟)，水箱中有气泡产生(且冷却水消耗过快)，水面上积有机油泡沫等现象。许多维修技术人员不知道
20、气缸垫片损坏的原因，只知道更换新的气缸垫片，结果气缸垫片连续烧损。更换发动机气缸垫片是一项慎之又慎的工作。对于维修技术人员来说，也是一项难度很大的工作。如果不按要求使用气缸垫片、或不按照正确的操作方法装配气缸垫片或装配前不做出正确的检查并找出其损坏的原因，所做密封的效果也肯定不会理想。一、气缸垫片的使用与安装不正确气缸垫片是装在发动机气缸体和气缸盖之间，它的作用是保证燃烧室的密封，防止燃气、冷却水和润滑油蹿漏。所以，气缸垫片的使用与安装不合乎要求，就直接影响气缸盖的密封可靠性和气缸垫使用寿命。为了保证密封质量，选用的气缸垫片必须与原气缸所配的规格和厚度相同，表面应平整，包边贴合牢固，并且没有划
21、痕、凹陷、折邹以及锈污等现象。否则，就会影响气缸盖的密封质量。在更换气缸垫片时，应在冷机时进行，气缸盖有正反面之分，正面比较光滑，反面比较粗糙，装配时应注意。由于气缸垫片缸口卷边一面(反面)有凸出量，对与它接触的平面会造成压痕变形。因此，安装时卷边的一面(反面)应朝向易修整的接触面或硬表面(一般气缸盖与气缸体均为铸铁时，卷边(反面)应朝向气缸盖;若气缸盖为铝合金，缸体为铸铁，卷边(反面)应朝向气缸体。)，且定位孔应对准气缸体的定位销。对一些高强化、大功率增压型进口柴油机，所使用的纯金属气缸垫片，安装时有记号(如TOP或UP)一面应朝向气缸盖(不得用普通缸垫代替)。且缸口、油道口及水道处的弹性凸
22、筋必须完好。另外，对重新使用的气缸垫片，因弹性降低以及变形等影响，其密封性能和使用性能将受到影响。所以，一般情况下，气缸垫片不要重复使用。若要重复使用旧的气缸垫片时，在装配前可放在废机油中加热到100煮0.5H左右。这样可有效地使气缸垫片内石棉膨胀，恢复其弹性性能，提高密封性和使用可靠性。二、气缸盖的轻微跳动气缸盖的轻微跳动是在压缩和燃烧压力的作用下，气缸盖试图从缸体上分离所造成的结果。这些压力拉长了气缸盖连接螺栓，因此导致气缸盖相对与缸体有一个轻微的跳动。这种轻微的跳动就会使气缸盖密封垫片发生放松和压紧的过程，从而加快了气缸盖密封垫片的损坏，影响其密封性能。在正常的情况下，这种轻微的跳动是非
23、常微小的，几乎等于零。那么，在正常情况下，它对气缸密封性能的影响也是非常微小的，几乎等于零。但是，在非正常的情况下，这种跳动对气缸的密封性能的影响就显得非常明显了。如果气缸盖连接螺栓没有拧紧到规定的扭矩数值，那么由这种轻微跳动而引起的气缸垫磨损就会发生得更快、更严重。若连接螺栓过松，就会导致气缸盖相对与缸体的跳动量增加。如果连接螺栓被拧的过紧，那么就会造成连接螺栓的受力超过它的屈服强度极限，从而导致连接螺栓的拉长超过它的设计容限值，这样也会造成气缸盖的跳动量增加，加速气缸盖密封垫的磨损。使用正确的扭矩规定值，且按照正确的次序拧紧连接螺栓，就可以使气缸盖相对与缸体的跳动降低到最小，从而保证气缸盖
24、的密封质量。三、气缸盖或缸体平面度过大翘曲和扭曲是气缸盖常常出现的问题，也是造成气缸垫片屡烧的主要原因。特别是铝合金气缸盖表现得更为突出，这是因为铝合金材料具有很高的热传导效率，同时气缸盖与气缸体相比，又显得比较小和薄，那么铝合金气缸盖的温度上升得快。当气缸盖变形时，它与缸体平面接合就会不严实，那么，气缸的密封质量就下降，造成漏气而烧坏气缸垫片，从而进一步使气缸的密封质量恶化。如果气缸盖出现严重的翘曲变形的话，就必须将其更换掉。在发动机大修或更换气缸垫片时，均应对气缸盖和缸体的接合面仔细进行检查。其一般标准要求为：对于整体式气缸盖，在气缸盖横向全长与纵向长度为300MM范围内平面度0.1MM;
25、对于分开式气缸盖，在气缸盖横向全长与纵向全长范围内平面度0.15MM。气缸体在其横向全长与纵向长度小于600MM的范围内，其平面度0.05MM;气缸体在其横向全长与纵向长度大于600MM的范围内，其平面度0.10MM。对于气缸盖及缸体平面度超出要求的，应进行修整以达到技术要求。四、气缸表面冷却不均匀气缸表面不均匀冷却会形成局部热点。局部热点会导致气缸盖或气缸体上小区域的金属产生过度膨胀，这种膨胀会使气缸盖密封垫片遭到挤压并损坏。由于气缸垫片的损坏导致泄露和腐蚀的产生，并最终被烧穿。如果在还没有找到产生局部热点的原因的时候，就更换了气缸垫片，这将是无济于事的，因为更换的气缸垫片最后还是会被烧坏的
26、。局部热点还会导致气缸盖本身产生额外的内应力，其结果使气缸盖出现裂纹。如果工作温度超过了正常的温度，局部热点还将产生不可思议的严重的负面影响。任何过热情况都会导致气缸体铸铁件产生永久性的扭曲变形。由于局部热点产生的过度挤压，会使密封垫片上受损坏的部位显著地变薄。变薄的程度可以通过下述测量方法进行验证：用测微计测量失效密封垫片受损坏部位的厚度，然后把测出来数据与密封垫片上其它部位的数据进行比较。如果通过你的检查发现在密封垫片上有被挤压的迹象，这时，就应该进一步检查气缸盖和气缸体的相应表面，检查在其相应表面是否有表面损伤。用直尺和塞尺测量气缸盖和气缸体各表面的平面度，如果任何一个表面受到损伤或出现
27、不平现象，在安装密封垫片时，必须重新修复这些表面，以保证良好的密封性。五、由冷却液中的添加剂相关的问题当冷却液中加入冷却剂时，就有可能会产生气泡。冷却系统中的气泡会导致气缸盖密封垫片失效。当冷却系中有气泡时，冷却液便不能在系统中进行正常的循环，因此发动机就得不到均匀的冷却，就会出现局部热点，使气缸垫片损坏，导致密封不良。所以，为了能够实现发动机的均匀冷却，加入冷却剂时，必须把空气排出发动机。有时，冷却剂可能会对双金属材料的发动机气缸盖密封垫片产生一些问题。例如将防腐剂加进到冷却剂中，可以来保护各种不同的金属。但在双金属材料发动机中，这种添加剂最后会形成铝酸盐，而铝酸盐则会附着在散热器管的内壁，
28、这就会降低冷却系统的冷却效果，还可能导致密封垫片失效。在这种情况下，就需要对管路进行完全彻底的清洗。在更严重的情况下，如管路发生堵塞时，唯一的办法就是更换散热器了。在散热器刚出现问题时，就更换散热器，要比在发动机受损后，在检查或更换气缸盖的密封垫片的时候再更换散热器，通常要经济和简单的多。有的机手在冬季使用防冻液，夏季时改用水，认为这样经济实惠。其实这样做后患无穷，因为水中的矿物质易产生水垢而粘浮在水套、散热器和水温传感器，使发动机温度控制失准而导致过热，甚至引起发动机气缸垫冲坏、气缸盖翘曲变形、拉缸和烧瓦等故障。因此，在夏季也应使用防冻液。六、柴油机维修、装配质量差发动机的维修及装配质量差，
29、是导致发动机气缸盖密封质量的主要原因，也是造成气缸垫片烧损的主要因素。为此，在修配发动机时，要严格按照有关要求去做。要正确拆装气缸盖。气缸盖拆装是否正确，是延长气缸垫的使用寿命和防止气缸盖变形的重要保证。在拆装气缸盖时，应在冷机状态下进行，严禁在热机状态下拆卸，以防气缸盖出现翘曲变形。拆卸时应从两边向中间对称分多次逐渐松开。若气缸盖与气缸体结合牢固取下困难时，严禁用金属物敲击或用尖锐硬器物嵌入缝口硬撬(有效的方法是用启动机带动曲轴旋转或摇转曲轴旋转，靠气缸内产生的高压气体将其顶开)，以防划伤缸体与气缸盖的接合面或损伤气缸垫。在装配气缸盖时，首先要清除气缸盖与气缸的接合表面及气缸体螺栓孔内的油污
30、、炭粒、铁锈和其它杂质，并用高压气体吹干净。以免产生螺栓对缸盖的压紧力不足。在紧固气缸盖螺栓时，应分34次由中间向两边对称拧紧，最后一次要达到规定的扭力矩，且误差2%，对于铸铁气缸盖在热机温度达到80后，应按规定力矩再重新拧紧连接螺栓。而对于双金属材料发动机，就应该在发动机冷却以后，再进行这样的重新拧紧操作。七、选用不适当的燃油由于不同结构类型的柴油发动机，对柴油的十六烷值有不同的要求。如果选用的燃油不合乎要求，不仅会造成经济性和动力性下降，而且还会引起柴油发动机大量的积炭或不正常的燃烧，导致机体局部温度过高，造成气缸垫及机体的烧蚀，使气缸盖的密封性能下降。所以，柴油发动机的柴油十六烷值的选用
31、必须符合使用规定要求。八、柴油机使用方法不当有一些机手因怕发动机熄火，故在启动发动机时，总是连续猛轰油门，或当发动机一启动时就让发动机高速运转，以此来维持发动机的工作状态;在车辆行驶过程中，经常脱档熄火滑行，而后挂档强制启动发动机。在这样情况下工作的发动机不仅增加了发动机的磨损，而且使气缸内的压力急剧上升，极易冲坏气缸垫片，导致密封性能下降。另外，发动机经常超负荷地工作(或点火过早)，长时间爆震燃烧，造成气缸内的局部压力和温度过高，此时也损坏气缸垫片，使其密封性能下降。3.2 试验3.2.1 试验方法用FUJI感压法测试机体顶平面和气缸垫、气缸套和气缸垫之间的接触压力。FUJI感应纸分为双层感
32、应纸和单层感应纸两种。双层感应纸由两层聚脂基中间衬一微囊含液层、彩色形成层组成(见图1) ;单层感应纸由聚脂基、微囊含液层、彩色形成层组成。图3.1双层感应纸的结构图3.3.2 试验原理和环境当压力施加在感应纸上时,感应纸中含有彩色液体的微囊破裂,其中的彩色液体在彩色形成层上生成与压力相对应的彩色图形,含液微囊通过颗粒尺寸控制技术( PSC)制成对 .于各种不同的压力等级尺寸,其相应压力以不同的密度释放出颜色,从而形成压力分布图形。测试时,将感压纸置于被测部位,施加压力,拆下感压纸,用显像密度仪和感应读取仪处理,得到压力分布数据。对钢质气缸垫分别进行螺栓预紧工况下的高压解析( 130 MPa)
33、和低压解析( 50 MPa)试验,试验条件如表1所示。表3.1缸垫试验条件干温/8湿温/6气缸盖螺栓拧紧力矩/ (N m )2003.3.3 实验结果与分析面压试验高压解析结果(见图3.2)表明,缸口部位密封线连续,密封带最小压应力发生在第3 缸最右侧,感应纸显示为黄色,对应于90 MPa的压力,可以有效地密封气体; 油孔密封有效压应力超过30 MPa,可以有效地密封润滑油;水孔附近为大平面接触,对水孔很难形成有效密封,在面压试验中看不到水孔附近的密封带。在低压解析图(见图3.3)上可以看到,对冷却水的密封是依靠缸垫上、下板的凸缘与大平面接触后形成大于10 MPa的压力密封带,形成对冷却水的间
34、接密封,但是推杆孔侧密封带压力较小。图3.2钢质缸垫高压解析结果图3.3 钢质缸垫低压解析结果4 485柴油机气缸垫密封性有限元分析4.1 实体模型的建立为了更好地模拟实际情况,用Pro/E创建485柴油机的机体、缸盖等主要零件和附件,485柴油机机体模型如图4.1所示, 485柴油机Pro/E模型如图4.2所示。用Pro/E画整机的图时，先画下部分的机体，再画缸盖，最后再用Pro/E组装成整机模型。485柴油机整机模型如图4.3所示, 485柴油机气缸垫实体照片如图4.4所示。缸垫的实体模型(见图4.5)由三层组成,上层和下层有台阶(见图4.6 ) ,其中对缸垫内部线面接触的部分做了合理的简
35、化,避免因在有限元模型中出现线-面接触而导致计算不收敛现象,其他部位都按照真实缸垫精确造型。图4.1485柴油机机体模型图4.2 485柴油机Pro/E模型图4.3 485柴油机整机模型图4.4 485柴油机气缸垫实体照片图4.5485柴油机的实体气缸垫Pro/E模型图4.6 485柴油机气缸垫台阶的有限元模型4.2 有限元模型的建立该缸垫结构复杂, 最多处有4 层钢板, 单层厚度小(0.6 mm ) 、面积大,本文采用六面体线形缩减单元划分。其网格模型如图4.7所示,钢质气缸垫的有限元模型单元数为136363,节点数为245361。而机体、气缸盖等零件用四面体单元划分,整个组合件模型的单元数
36、为1482978,节点数为563278。图4.7 485柴油机气缸垫有限元模型4.3 边界条件和载荷的施加在飞轮壳与离合器连接的圆周上取4个对称的螺栓位置施加y,z方向位移约束,在左悬架的安装螺栓位置施加全约束, 右悬架的安装螺栓位置施加x, y方向位移约束,机体和各零件间施加接触边界,实现接触模拟。约束条件应正确反映实际工况，其合理性对有限元分析非常重要，如施加不合适，有可能导致求解困难或不能求解。约束边界条件包括位移边界条件、接触边界条件和载荷边界条件。4.3.1 位移边界条件根据实际情况，约束机体底部的个自由度，即机体底部完全固定，同时约束机体剖分面的水平位移，模拟对称边界条件。4.3.
37、2 接触边界条件气缸垫密封是由密封垫受压发生变形，并同金属结构件进行紧密接触，其接触力和内压进行平衡来实现密封效果的。接触问题是明显的状态非线性，其复杂性是由于系统状态的改变，即由物体间接触、分离造成的。接触问题的数值方法主要是处理接触边界的问题，可采用罚单元法描述接触问题。从变分角度看，结构的总势能可表示为： 式中 为应变势能；为外力势能；为接触力势能。通过罚单元给出 的表达式。定义气缸垫、气缸盖、机体相互接触的表面之间为面面接触、小滑移接触类型，在接触属性中定义库仑摩擦系数，并设置合理的刚度系数。因为主要研究气缸垫的接触，且气缸垫材料相对于其他零件软，因此分别定义气缸盖和机体为主面（目标面
38、），气缸垫为从面（接触面），并相应的细化气缸垫网格。螺栓为紧固零件，使用 tie 连接将其固定于机体和气缸盖上。计算时，程序根据接触面间在变形后的接触状态，自动进行接触力的传递，由此完成接触模拟。4.3.3载荷边界条件影响气缸垫接触应力的载荷因素主要有螺栓预紧力、燃气压力。螺栓拧紧时，在气缸垫上产生一定的接触压力会抵抗燃气压力的作用达到密封效果，该压力的大小决定了气缸垫密封的可靠性。每气缸气缸盖的各螺栓预紧力一致，定义螺栓的预紧力为最大燃气压力的倍左右，即Fbolt式中 P 为最大燃气压力，17MPa ； D为缸径，85 mm；为螺栓个数，12个。确定螺栓预紧力为277 kN。4.3.4螺栓预
39、紧工况施加气缸盖螺栓、水泵螺栓和飞轮壳螺栓等预紧力,按照设计手册中螺栓预紧力计算公式可得各种螺栓的预紧力,如表2所示。4.3.5工作工况在螺栓预紧工况的基础上,施加工作缸的爆发压力、主轴承座支反力和机体、缸套和气缸垫的温度场。爆发压力直接作用在气缸盖上,其大小为14. 9 MPa,温度场计算借用同类机型的实测值,缸垫的缸口部位温度为527 ,在ANSYS中计算得到缸垫的温度场。表4.1机体组件上的螺栓预紧力项目气缸盖螺栓飞轮壳螺栓水泵壳螺栓主轴承盖螺栓拧紧力矩/(Nm )预紧力 F。/N 200277140194 34346190 2634.4 在螺栓预紧工况下有限元计算结果分析为了和试验作对
40、比,调整计算结果显示的压力范围与试验压应力一致,计算结果如图4.8、图4.9所示。对比图3.2和图4.8、图3.3和图4.9可以看到计算的压力云图和面压试验结果基本一致。图4.8 485柴油机钢质缸垫计算结果高压解析图4.9485柴油机钢质缸垫计算结果低压解析在预紧工况下,各缸压应力分布基本相同, 1 , 4缸由于有水泵螺栓和飞轮壳螺栓的影响,和2, 3缸稍有不同。在预紧工况下,对缸内气体、水孔和润滑油孔的密封情况分析如下文所述。4.4.1 缸口部位的密封分析如图4.11所示,缸口部位密封圈上能够形成连续的密封环带,并且连续密封环上最大压应力超过150 MPa,最小压应力为80 MPa,最小压
41、应力出现在两缸之间和靠近推杆孔侧,完全满足对缸内气体密封的要求。两缸之间压力比较薄弱的原因主要是由于第2, 3, 4对缸盖螺栓的预紧力由2个缸分担,但是第1, 5对缸盖螺栓的预紧力仅分别作用于第1, 4缸,使得在相同拧紧力矩下2 , 3 , 4缸套和缸垫接触压力减小;推杆孔侧压力比较薄弱,究其原因,一方面,缸口周围的刚度对其接触压力影响很大,从机体的结构上看,推杆孔侧刚度相对较弱,导致缸口密封压力减小;另一方面,推杆孔侧缸垫和机体接触面积比另一侧大,也导致缸口部位推杆侧接触比压下降;还有,推杆孔上有橡胶包边,在气缸螺栓预紧力的作用下被压实,有一定厚度,抵消了一部分螺栓预紧力,减弱了推杆侧缸垫上
42、压应力。4.4.2 润滑油孔的密封分析在油孔附近压力比较大, 能达到50 MPa以上(见图4.10) ,但此处没有必要有这么大的压力,由于螺栓位于油孔和气缸之间,气缸套高出机体顶平面0. 11 mm ,所以在螺栓预紧力的作用下,形成了以气缸套边缘为支点,以气缸盖为力臂的杠杆,造成油孔处压力比较大。4.4.3 冷却水的密封分析和非金属材料的密封垫片不同,钢质缸垫刚度大、变形小,对接触面的平面度要求相对较高。有限元计算结果显示,在水孔附近没有形成有效的密封环带,而是在缸垫上、下面的台阶部分和机体、气缸盖接触后形成压力环带(见图4.12 和图4.13 )形成对冷却水的密封,从云图上可以看到,台阶上大
43、于0. 13 MPa的密封带连续,可以对冷却水很好密封。但是台阶密封压力线在推杆孔侧比进气侧弱,这是由于推杆孔有橡胶包边,从而抵消了部分台阶与机体、气缸盖的接触压力,所以预计在工作状态下这个部位有渗水的可能性。图4.10油孔周围压力图4.11 缸口部位压力最小处图4.12 对冷却水密封的台阶机体侧图4.13 对冷却水密封的台阶气缸盖侧4.5 工作工况的485柴油机气缸垫受力分析从工作工况计算结果可以看出,爆发缸缸口部位最小密封压力达到18 MPa,在两缸之间和推杆孔一侧,能够对缸内气体有效地密封(见图4.14) ;油孔附近密封压力过大,达到50 MPa以上;缸垫台阶的密封压力带在爆发缸推杆孔侧
44、有间断点(见图4.15 ) ,所以该缸垫在工作工况下有渗水的可能性,可以针对性的在推杆孔附近水孔部位涂硅橡胶,达到对冷却水密封的要求。图4.14工作工况下缸口部位的应力分布图4.15 气缸垫工作工况计算结果4.6 结论（1)应用在485柴油机上的钢质气缸垫, 其密封效果和本身结构及材料有很大关系,机体结构对其影响也很大。本钢质气缸垫能够很好的对燃气压力和润滑油密封,对冷却水的密封决定钢质气缸垫能否应用在强化柴油机上的关键。（2）气缸垫等效应力结果偏大，会引起凸缘衔接处的应力集中，也不利于垫片材料的回弹，其大小可以通过螺栓预紧力控制。（3)利用有限元技术,创建精确的485柴油机气缸垫有限元模型,
45、可以很好地模拟计算钢质气缸垫的密封性能,且计算结果和试验结果比较吻合。（4)485柴油机气缸垫在工作过程中有轻微地随机渗水现象,计算结果很好的证实了这一点,并且在计算模型上可以判断出渗水部位,从而有针对性的改进缸垫结构。5 总结和展望一、本文所做工作总结基于ANSYS的485柴油机气缸垫有限元分析使我在气缸垫密封原理以及有限元软件分析上受到了很好的训练。对于所学知识，有了一次综合运用的机会。学习ANSYS的时间较短，加之英文操作界面，使得在ANSYS的运用上遇到不少困难。首先对课题进行研究，认识到这属于接触应力力学分析。在对问题认识清楚后，采用了垫片单元INTER195建立了气缸垫模型，施加约
46、束后对其进行了密封性分析。通过这次毕业设计，我熟悉了 ANSYS 操作步骤，从定义单元类型到建模到结果分析，有了明确的思路和整体的认识。了解了一般问题进行ANSYS求解的步骤方法。而且，我还认识到不同的工程问题，ANSYS 在定义时是根据实际情况定义的，没有固定的方式、方法。二、工作展望本次毕设是一个工程问题的实际应用型课题，在我国，机械产业还远远没有达到国际领先水平，并且与之相关的检测、质保、维护产业也没有很好的发展。近年来，国家对于机械制造业有了大力的发展和推动，同时对于其相关产业也有大幅度的推进。ANSYS是大型的通用有限元软件，其功能强大，可靠性好，具有强大的结构分析能力和优化设计模块，因而被国内外大多数机械行业所采用。ANSYS作为工程问题解决的重要手段之一，也被得到重视、
