基于Abaqus的混动发动机缸孔变形优化设计.pdf

2023 年 11 月第 19 卷 第 4 期系统仿真技术System Simulation TechnologyNov.，2023Vol.19，No.4基于Abaqus的混动发动机缸孔变形优化设计柯俊峰1，2*，李校杨1，2，王艳军1，2（1.上海汽车集团研发总院，上海 201804；2.上海市汽车动力总成重点实验室，上海 201804）摘要：基于某款车用混动发动机的机体，采用热固耦合计算方法，借助Abaqus-STANDARD出色的非线性求解能力和优异的计算精度，同时进行仿真与试验对比分析，实现对混动发动机缸孔变形量的精准预测和设计优化。在设计初期通过仿真手段充分降低缸变形导致的高油耗风险，缩短项目开发周期和降低开发成本。关键词:机体；缸孔变形；摩擦功；设计优化Optimization Design of Hybrid Engine Cylinder Bore Deformation Based on AbaqusKE Junfeng1，2*，LI Xiaoyang1，2，WANG Yanjun1，2（1.SAIC Research Institute Headquarter，Shanghai 201804，China；2.Shanghai Auto Powertrain Key Laboratory，Shanghai 201804，China）Abstract：Basing on a cylinder block of vehicle hybrid engine，bore distortion analysis and design optimization was done by means of thermal-structure coupling method with the tool of Abaqus-STANDARD，and comparative analysis between simulation and test was also done.Simulation means reducing oil consumption caused by bore distortion were done in the early stage of design by CAE，so project developing time was shortened and cost was saved.Key words：cylinder block；bore distortion；friction work；design optimization为了解决摩擦功、油耗等问题，在混动发动机机体的设计开发过程中，高刚度低变形机体的研究一直是一项关键技术，其中控制缸孔变形对于发动机油耗具有特别重要的工程意义。本研究通过仿真与试验的全面精细化对标，研究改善缸孔变形的方法，基于缸孔变形仿真结果完成机体优化设计，实现降低摩擦功和节省油耗的目标。1 整机温度场计算 1.1热传导计算将计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）计算出的气体热膜温度及传热系数作为边界条件，通过 Abaqus软件中的 Surface方法插值到有限元分析（Finite element analysis，FEA）热传导计算模型中1，设置各部件之间的连接关系及其导热参数。传热计算公式为Tt=a(2Tx2+2Ty2+2Ty2)+c（1）其中，a为导热系数；T为温度；为单位体积放出的热量；c为比热；为密度；t为时间。第一类边界条件为T=TB(t)（2）第二类边界条件为Txlx+Tyly+Tzlz=-(T-Tc)（3）其中，为传热系数；为表面放热系数；lx、ly、lz为边界表面外法线方向余弦。FEA 热传导计算的工况按照发动机节气门全开（Wide open throttle，WOT）运行工况进行模拟2，热传导计算和变形计算模型如图1所示。通信作者：柯俊峰,E-mail：中图分类号:TB332 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.04.009柯俊峰，等：基于Abaqus的混动发动机缸孔变形优化设计图1整机温度场计算模型图Fig.1Model of global engine heat transfer analysis1.2温度场结果图 2 为额定功率工况下的机体和缸套温度场结果，最高温度点位于2缸间位置。1.3仿真与试验温度场结果对比如图3所示，仿真分析得到与实际测试相近的机体温度场结果，为后续流固耦合计算提供较为精确的边界条件。2 缸孔变形计算 以热传导所得到的温度场结果为边界条件，在插值应力计算模型中3，叠加该模型所受到的机械载荷，进行流固耦合计算，其基本方程为=KRt（4）=DB-0（5）其中，K为总体刚度矩阵，D为弹性矩阵，B应变矩阵，Rt为总体载荷矩阵，为节点应力矩阵。2.1计算模型与图1中的温度场计算模型相同，缸孔变形计算模型包括缸盖、气门座圈、气门导管、汽缸垫片、机体及螺栓4。2.2计算结果如图4所示，分别得到装配工况和工作工况下的缸孔变形结果。装配工况结果，从变形趋势来看，由于缸口承担了大部分的螺栓装配力，缸套部分下沉；而螺栓则把机体外围部分向上提拉，同时通过水套底部把螺栓力传递到缸孔内侧。另外，螺栓的螺纹处受力主要集中在前几个螺牙，尽量把螺栓沉孔底部高度与水套底部高度隔离，可以有效降低缸孔的变形。工作工况结果，除了装配力外，还受机体温度极值和温度分布的影响，对于混动发动机，建议缸间设计钻孔，以减小机体的最高温度，同时优化钻孔高度，尽可能保证机体上下的温度均匀分布，这样可以得到理想的缸孔变形结果，实现降低摩擦功和减小油耗的目标。2.3变形后结果处理缸孔变形后的截面几何形状表达式可以通过快速傅里叶变换5，分解为简单的各阶几何形状的叠加，提取装配工况和工作工况对应的缸孔变形值，对变形进行评估。缸孔变形后截面内壁半径变化可以表述成下列傅里叶级数的形式，如式（6）所示。R()=i=1i=n(Aicos +Bisin)（6）其中，R()为圆柱坐标系极轴坐标，为圆柱坐标系图2机体与缸套温度场分布Fig.2Temperature distribution of block&liner图3机体最高温度测试结果与仿真结果对比Fig.3Results of liner temperature between CAE and test图4装配工况和工作工况的变形结果放大图Fig.4Enlarged view of assembly load and warm engine349系统仿真技术第 19 卷 第 4 期角坐标，Ai，Bi是比例常数，i是缸孔变形系数，n为考虑缸孔变形的最高阶数。3 设计优化 随着发动机油耗和排放的要求日趋严格，机体缸孔变形的设计限值不断下降，对于具体各阶次变形来说，2 阶变形和 3 阶变形通常可以通过活塞环自身来弥补，因此重点研究缸孔的 4 阶变形值。某混动发动机在开发初期，计算并分解得到的缸孔各阶变形，如图 5 所示，工作状态 4 阶缸孔变形值 在 参 考 范 围 内，但 希 望 通 过 设 计 优 化 降 低 该数值。针对装配工况下螺栓力分配、缸孔变形趋势及工作工况下温度场分布，通过调节水套深度、缸盖螺栓沉孔、缸间钻孔高度、外围加强筋分布等一系列措施，本研究最终设计的缸孔变形得到了改善，下降幅度超过50%，具体数值见图6。图 5设计初期发动机的工作工况缸孔变形Fig.5Bore distortion results of early stage design图6最终设计发动机的工作工况缸孔变形Fig.6Bore distortion results of final design350柯俊峰，等：基于Abaqus的混动发动机缸孔变形优化设计4 仿真与试验对比 设计优化及缸盖机体样件完成后，对缸孔变形进行了实际测量，以4阶变形值为例，分别取2个不同螺栓夹持力对应的装配工况变形值进行对比，数据如图7所示。仿真与测试的数值对比可以看出，除了2阶外，其他阶次两者的数值比较一致，特别是4阶和6阶变形值，仿真与测试有非常好的一致性。5 结 论 本研究采用Abaqus有限元软件，对某款车用混动发动机缸孔变形进行分析研究，在设计开发初期对缸孔变形进行分析校核并为方案优化提供了有效指导。结合试验测试结果，验证了仿真结果的置信度，突显了CAE可有效缩短开发周期的优势，充分体现了快速响应设计的理念。参考文献：1石亦平，周玉蓉Abaqus有限元分析实例详解 M北京：机械工业出版社，2006SHI Yiping，ZHOU Yurong.Detailed explanation of Abaqus analytical casesM.Beijing：China Machine Press，2006.2YOKOI Y，KURAZONO K，KATAGIRI H，et al.Thermal analysis of cylinder head of gasoline engine J.Nihon Kikai Gakkai Ronbunshu，B Hen/Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，Part B，1992，58（546）：613-618.3KRUG P，KENNEDY M，FOSS J.New aluminum alloys for cylinder liner applications C/SAE World Congress，2007.4GHASEMI A.CAE Simulations for Engine Block Bore DistortionC/SAE Technical paper，2012-01-1320，2012.5徐玉梁，李吉亮，祖炳锋，等.基于多场耦合的缸孔变形评价方法研究 J.汽车工程，2013，35（12）：1123-1128，1122.XU Yuliang，LI Jiliang，ZU Bingfeng，et al.Study of cylinder bore distortion evaluation method based on multi-field coupling J.Auto Engineering，2013，35（12）：1123-1128，1122.柯俊峰 男（1981-），湖北黄石人，硕士，主要研究方向为动力总成及三电的耐久、变形、密封、振动等相关的结构强度仿真。李校杨 男(1986-),湖北仙桃人，硕士，主要研究方向为动力总成及三电的耐久、变形、密封、振动等相关的结构强度仿真。图7缸孔变形值的仿真与试验对比Fig.7Bore distortion results comparison between CAE and test351