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達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞試驗(yàn)?zāi)M分析中的應(yīng)用

2019-01-03 23:27:41·  來源：達(dá)索系統(tǒng)  
　
作者：張醒國(guó)中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院摘要：本文利用達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞試驗(yàn)工況進(jìn)行有限元模擬仿真。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與有限元
 
作者：張醒國(guó)  中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院
 
摘要：
本文利用達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA Abaqus軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞試驗(yàn)工況進(jìn)行有限元模擬仿真。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的差異對(duì)比和原因分析，對(duì)有限元分析條件進(jìn)行修正，從而發(fā)現(xiàn)缸口位置開裂的真正原因，給出相應(yīng)改進(jìn)方案，并得到了試驗(yàn)驗(yàn)證。
 
關(guān)鍵詞：Abaqus 有限元 高周疲勞強(qiáng)度 缸體疲勞試驗(yàn)
1、前言 
發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車的“心臟”，為汽車的行走提供動(dòng)力, 對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性起著至關(guān)重要的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體不僅僅是發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架與外殼，同時(shí)是發(fā)動(dòng)機(jī)各大部件工作中必不可少的一部分。缸體的作用是支承和保證活塞、連桿、曲軸等運(yùn)動(dòng)部件工作時(shí)的準(zhǔn)確位置,保證發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣、冷卻和潤(rùn)滑,提供各種輔助系統(tǒng)、部件及發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝。
近年來，采用有限元軟件計(jì)算評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)缸體強(qiáng)度，已經(jīng)成為各大發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)階段的主要手段。通過有限元分析明確缸體的危險(xiǎn)位置，有針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，避免重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證，可以大幅度縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約時(shí)間成本、人力成本、資源成本等。
在眾多有限元軟件中，Abaqus以豐富的單元種類、全面的材料模型、大量的接觸與連接類型、強(qiáng)大的非線性求解能力和較強(qiáng)的上下游分析軟件兼容性等優(yōu)點(diǎn)被越來越多的CAE工程師采用。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)疲勞耐久仿真分析時(shí)，Abaqus能夠提供豐富的單元類型，來準(zhǔn)確模擬缸墊、油膜等高度非線性受載情況，同時(shí)也提供了溫度相關(guān)的材料本構(gòu)模型。
本文以某型發(fā)動(dòng)機(jī)為例，采用Abaqus/Standard對(duì)缸體疲勞試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬，快速解決試驗(yàn)中產(chǎn)生的缸口位置異常開裂問題。
2、缸體疲勞試驗(yàn)簡(jiǎn)介 
缸體疲勞試驗(yàn)是通過向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室注入的液壓油壓力模擬發(fā)動(dòng)機(jī)爆發(fā)壓力，液壓油壓力同時(shí)作用于缸體（缸套）、工藝缸蓋、工藝活塞上，并通過工藝連桿、曲軸傳遞給主軸承壁和主軸承蓋，如圖1。
 圖1.缸體疲勞試驗(yàn)加載方式示意圖  
某型發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行缸體疲勞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生缸口開裂現(xiàn)象，采用Abaqus軟件，選取缸體疲勞試驗(yàn)的典型工況進(jìn)行有限元分析，查找問題真因，并提出改進(jìn)建議。  
3、有限元模型建立與邊界條件確定 
3.1 有限元模型
模擬缸體疲勞試驗(yàn)的有限元模型主要包括缸體、工藝缸蓋、工藝活塞連桿組件、工藝曲軸、主軸承蓋、連接件（螺栓），如圖2。
圖2. 模擬缸體疲勞試驗(yàn)的有限元模型
模型主要采用二階四面體單元與一階六面體單元建立，由于主要考察缸口位置，所以缸口位置網(wǎng)格需要細(xì)化，需要選取尺寸較小，形狀規(guī)則的單元，以保證求解精度。有限元模型的單元類型選取與規(guī)模見表1所示。
表 1.  各零部件單元類型與節(jié)點(diǎn)數(shù)量
3.2 材料非線性
材料非線性是指材料具有非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Abaqus軟件支持用戶使用*PLASTIC選項(xiàng)定義金屬材料的塑性性能。*PLASTIC選項(xiàng)中的數(shù)據(jù)將材料的真實(shí)屈服應(yīng)力定義為真實(shí)塑性應(yīng)變的函數(shù)。同時(shí)Abaqus支持在各材料參數(shù)中使用溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如：彈性模量、泊松比、應(yīng)力應(yīng)變曲線等。為了更準(zhǔn)確的獲得應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，在分析時(shí)缸體材料采用彈塑性數(shù)據(jù)，即試驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線。
圖3. Abaqus界面定義金屬材料塑性數(shù)據(jù) 
圖4. 某金屬材料應(yīng)力應(yīng)變曲線
3.3 裝配關(guān)系的建立
為了體現(xiàn)模型的裝配關(guān)系與零部件間的相互作用，Abaqus支持用戶定義零部件間的接觸行為、綁定約束、捆綁等。其中接觸對(duì)的定義按照接觸面之間滑移量的大小分為有限滑移與小滑移。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞試驗(yàn)?zāi)M分析模型規(guī)模較大，各零部件間的相互作用關(guān)系比較復(fù)雜。為了保證模型的收斂性與求解速度，相互作用的定義按照以下幾點(diǎn)執(zhí)行。
1. 采用小滑移接觸定義接觸面滑移量較小的接觸行為；
2. 采用有限滑移接觸定義接觸面滑移量較大，或可以有任意的相對(duì)滑動(dòng)的接觸行為；
3. 采用綁定約束定義對(duì)整體模型尤其是關(guān)注位置影響不大，或者在整個(gè)分析過程中始終保持緊密接觸關(guān)系的接觸行為。
3.4 邊界條件建立
按照真實(shí)試驗(yàn)工況，缸體底部與模擬地板接觸，約束模擬地板底平面節(jié)點(diǎn)和夾具固定位置節(jié)點(diǎn)所有自由度。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)表面（液壓油作用位置）施加壓強(qiáng)（與試驗(yàn)油壓相同）。同時(shí)按照理想情況作如下假定：
1. 活塞與缸筒內(nèi)壁接觸，無較大側(cè)向載荷；
4. 連桿大頭與曲軸之間，曲軸與主軸承壁之間，無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；
5. 主軸承壁不受側(cè)向載荷。
4、有限元分析結(jié)果 
利用Abaqus軟件計(jì)算缸體燃燒室內(nèi)高壓油壓力最大時(shí)結(jié)構(gòu)上的Mises應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明缸口開裂位置的Mises應(yīng)力較小，在70MPa以下，如圖5所示。
圖5. Mises應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，缸口位置Mises應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度極限，且低于材料的疲勞強(qiáng)度極限。故缸口位置不應(yīng)該發(fā)生開裂破壞，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不一致。
5、有限元模擬邊界條件修正 
重新查驗(yàn)試驗(yàn)裝夾情況，發(fā)現(xiàn)工藝活塞存在裝配間隙過大、加工精度不夠等情況，導(dǎo)致工藝活塞受扭矩作用。因此，模擬仿真的邊界條件需要修正，缸體內(nèi)壁承受側(cè)向力，如圖6所示。
圖6. 有限元模型載荷施加示意圖
Abaqus計(jì)算的Mises應(yīng)力結(jié)果如圖7所示。缸口開裂位置Mises應(yīng)力超過300MPa，高于材料的抗拉強(qiáng)度極限。有限元結(jié)算結(jié)果與缸體疲勞試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)完全一致。
圖7. 修正載荷后應(yīng)力與變形計(jì)算結(jié)果
6、結(jié)論 
缸體疲勞試驗(yàn)的裝夾工藝嚴(yán)格控制后，經(jīng)過多輪試驗(yàn)驗(yàn)證，未發(fā)生缸口位置異常開裂現(xiàn)象。
利用Abaqus軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)缸體疲勞試驗(yàn)?zāi)M分析，有效的解決發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸口位置異常開裂的試驗(yàn)問題。Abaqus軟件強(qiáng)大的非線性求解能力，能夠精確地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，有效的指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)、試驗(yàn)中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題。
參考文獻(xiàn)：
1. 石亦平，周玉蓉. Abaqus有限元分析實(shí)例詳解.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
2. 陳學(xué)罡，吳鵬. 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體疲勞試驗(yàn).汽車工藝與材料，2014（1）：32-35.
3. 江丙云，孔祥宏，羅元元.  ABAQUS工程實(shí)例詳解. 北京：人民郵電出版社，2014.
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