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有限元強(qiáng)度分析計(jì)算的實(shí)體結(jié)構(gòu)組合模型，本氣缸蓋為6缸連體的整體式缸蓋，各缸的結(jié)構(gòu)一致，每缸左右的進(jìn)、排氣道兩半部分結(jié)構(gòu)有所差異，前后結(jié)構(gòu)基本對稱；每缸的4條缸蓋螺栓預(yù)緊力一致， 4條縫合螺栓預(yù)緊力也一致，螺栓以氣缸中心面前后對稱分布，因此在計(jì)算時(shí)可以把缸蓋簡化為前后對稱結(jié)構(gòu)。
對缸蓋結(jié)構(gòu)作出精確的計(jì)算，必須采用較小的單元長度，為了在減小有限元規(guī)模的基礎(chǔ)上細(xì)化網(wǎng)格，在建模時(shí)采用了缸蓋的一個(gè)整缸和兩個(gè)半缸作為計(jì)算對象。由于主要考察對象是氣缸蓋，故在建模時(shí)對氣缸蓋和氣門座圈建立的是詳細(xì)實(shí)體模型，而對機(jī)體等組合結(jié)構(gòu)的其它部分做了適當(dāng)簡為了區(qū)分不同零件的不同材料，首先對幾何模型進(jìn)行分區(qū)處理，分成機(jī)體區(qū)、氣缸蓋區(qū)、氣缸套區(qū)及缸墊區(qū)共4個(gè)大區(qū)。根據(jù)各區(qū)材料特性的不同分別設(shè)定各區(qū)單元的物理特性參數(shù)。為了控制有限元網(wǎng)格的疏密程度及有利于網(wǎng)格的自動(dòng)剖分，需對各零件部分進(jìn)一步進(jìn)行分區(qū)處理，并對不同結(jié)構(gòu)區(qū)域設(shè)定合理的單元長度，由程序自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分。對于實(shí)體部分，選用4節(jié)點(diǎn)4面體單元，用桿單元模擬氣缸蓋螺栓，用多節(jié)點(diǎn)剛性單元模擬螺栓與機(jī)體的螺紋聯(lián)接及螺栓與螺母的螺紋聯(lián)接。圖為缸蓋的有限元單元網(wǎng)格圖。
位移邊界條件有機(jī)體的剛體位移約束；機(jī)體、缸蓋、氣缸套、氣缸墊剖開面上的對稱位移約束.對模擬螺栓的桿單元兩端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了位移協(xié)調(diào)約束.所有位移約束都是施加在實(shí)體模型幾何元素上的，程序自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。
對于由機(jī)體、缸蓋、缸套和氣缸墊組成的組合結(jié)構(gòu)，在缸蓋螺栓的作用下，裝配接觸面上有接觸效應(yīng).本模型中建立了缸蓋與缸墊、缸墊與缸套、氣門座圈與缸蓋之間的接觸邊界條件，計(jì)算時(shí)，程序根據(jù)接觸面間在變形后的接觸狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行接觸力的傳遞，由此完成接觸模擬。
在預(yù)緊工況下，氣缸蓋主要承受氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力和氣門座圈的裝配過盈力。氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力有兩種，其中缸體螺栓為110 kN，縫合螺栓為50 kN。采用桿單元模擬螺栓，通過在桿單元兩端節(jié)點(diǎn)上施加負(fù)的節(jié)點(diǎn)溫度，由溫差使桿單元收縮而得到準(zhǔn)確的螺栓預(yù)緊力。氣門座圈的裝配過盈力通過在氣門座圈外柱面與氣缸蓋的座圈窩內(nèi)柱面間設(shè)置安裝過盈量來產(chǎn)生，過盈量的大小由它們的配合公差值來確定。在爆發(fā)工況時(shí)，缸蓋不但承受預(yù)緊工況時(shí)的載荷，還承受缸內(nèi)氣體的爆發(fā)壓力.以第三缸處于爆發(fā)狀態(tài)時(shí)為計(jì)算工況，已知第三缸的最大爆發(fā)壓力，根據(jù)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理分析出相鄰兩缸的缸內(nèi)壓力，將它們施加于氣缸蓋的火力面上，作用于氣門上的壓力施加于氣門座圈與氣門的接觸面上。
對于第三缸氣缸蓋，根據(jù)測試時(shí)應(yīng)變片的布置位置和方向，考查缸蓋頂板9個(gè)位置上11個(gè)應(yīng)變片方向的應(yīng)力值，應(yīng)變片的粘貼位置及方向見圖。應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表。
氣缸蓋是柴油機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜并且承受著很大機(jī)械載荷和熱負(fù)荷的零件。近代內(nèi)燃機(jī)向高速、大功率方向發(fā)展，氣缸蓋高度有適當(dāng)加大的趨勢，一些高強(qiáng)化柴油機(jī)出于提高功率重量比的目的，往往采用鋁合金材料來制造，但是，隨著強(qiáng)化程度的提高，柴油機(jī)在運(yùn)行過程中缸蓋經(jīng)常發(fā)生由于其強(qiáng)度和剛度的不足而引起的問題。某大功率150型柴油機(jī)氣缸蓋采用鋁合金制造，在進(jìn)行考核試驗(yàn)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂，經(jīng)過分析，裂紋源是在頂板產(chǎn)生的。根據(jù)試驗(yàn)資料，熱負(fù)荷對氣缸蓋火力面的影響最大，特別是在鼻梁區(qū)可以產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力，其產(chǎn)生的主要破壞形式是在鼻梁區(qū)產(chǎn)生裂紋，但對缸蓋頂板的影響較小。
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