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基于Abaqus的汽油机气缸盖高周疲劳仿真分析

研究

黄凤琴，张志明，王伟民，尹曼莉，李相旺，李欣

（东风汽车公司技术中心，湖北武汉，430058）

摘要：本文通过Abaqus软件建立汽油机缸体、缸盖三维实体有限元模型，首先进行传热流固耦合分析得到缸盖的温

度场，然后根据发动机运行特点定义常温装配、发动机各缸点火等分析工况，得到了缸盖的装配应力和爆发热耦合

应力。根据缸盖各工况下热应力结果组合进行高周疲劳分析，计算得到疲劳安全系数分布，最小安全系数出现在燃

烧室排气鼻梁区和水套圆角过渡处，从而得到缸盖设计的薄弱处，为缸盖的结构设计和优化提供理论依据。

关键词：发动机；气缸盖；高周疲劳；仿真

Highcyclefatiguesimulationstudyon

gasolineEnginecylinderhead

HuangFengqin,ZhangZhiming,WangWeiming,YinManli,LiXiangwang,LiXin

（DongFengMotorCorporationTechnologicCenter,HubeiWuhan,430058）

Abstract:Finiteelementanalysisofcylinderheadandcylinderblockwasperformedongasoline

engine.First,thispaperstudiedthefluid-structurecouplingheattransfermodeltogetcylinderheadand

blocktemperaturefield.Secondly,thestressfieldofcylinderheadunderroomassembly,hotfiring

conditionswasanalyzed.Basedonthestressfieldofcylinderhead,highcyclefatigueanalysiswascarried

out.Thefatiguesafetyfactorishelpfultofindtheplaceswherefailuresmighthappen,andprovidethe

informationforimprovingcylinderheadstructure.

Keywords:GasolineEngine;Cylinderhead;Highcyclefatigue;Simulation

引言

气缸盖是内燃机的主要零件之一，它与活塞顶及气缸内壁共同组成燃烧空间。气缸盖的结构形

状十分复杂，承受着气体作用力和气缸盖螺栓的预紧力。气缸盖各部位温度很不均匀，其底面燃烧

室温度很高而冷却水套的温度较低，进气道和排气道的温差也很大。因此,气缸盖的机械应力和热

应力都很大。特别是由于高温和温度分布不均匀而产生的热应力的反复作用往往形成热疲劳裂纹。

增压小型化、高升功率发动机是目前汽油机开发的主流，给缸盖的设计带来更大的难度。

目前，对气缸盖的研究方法主要是进行疲劳试验和仿真模拟计算。由于气缸盖的体积较大，疲

劳试验受到了限制，只能选取少数几件来验证其结构寿命，而仿真计算却不受限制。因此通过仿真

计算可以缩短设计周期，降低开发费用。

本文以某三缸增压汽油机含集成排气歧管缸盖为例,采用Abaqus软件，用三维稳态有限元方

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法计算了缸盖的温度场、常温装配工况机械应力和爆发-热耦合应力,并根据其各工况下的应力组

合对缸盖进行高周疲劳分析，计算得到疲劳安全系数分布，根据疲劳分析结果可知缸盖结构满足设

计要求。

1有限元分析模型建立

有限元模型包括缸体、缸盖、缸垫、缸盖螺栓、气门阀座、导管和火花塞，采用Hypermesh软

件对气缸盖模型进行有限元网格划分，有限元分析模型见图1。

网格划分主要考虑以下三方面：

1）单元类型选择。气缸盖结构特征多，模型复杂，且一阶单元精度较低，因此采用10节点四

面体二阶单元。

2）单元密度设置。燃烧室周边区域是可以预知的高应力区域，是气缸盖强度失效最可能发生

的区域，因此是研究重点，该区域单元密度应设置为较大。而对于远离燃烧室的非敏感区域，采用

较疏的单元密度。

3）单元质量控制。通过在软件中设置一系列单元质量参数值保证生成的单元质量。

图1有限元分析模型

2缸体缸盖的流固耦合传热分析

因发动机在运行过程中一直处于高温热负荷的环境之下，在进行热应力分析之前，需先进行缸

体、缸盖的流固耦合传热分析。准确有效