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CNG发动机典型零部件强度计算与疲劳可靠性分析

高岚  
【摘要】: 配气机构和气缸盖罩是新型CNG(Compressed Natural Gas)发动机的重要组成部分。CNG发动机中气门和气门座在工作中承受极高的机械负荷、热负荷及腐蚀性气体的冲刷,常造成气门下沉、燃烧室的有害气体容积增大、气门头部断裂,严重时气门-气门座的密封作用失效,发动机性能变坏,影响发动机的正常工作,因此气门-气门座的结构性能对整车的安全性和可靠性有着重要的影响。如今镁合金已经广泛的应用于汽车工业,气缸盖罩置于气缸盖上起到密封的作用,镁合金气缸盖罩的使用使其质量有大幅度的减少,强度比钢结构件有所降低,而其处于高温的工作环境,这就要求其强度必须符合设计要求,因此气缸盖罩的强度可靠性及疲劳寿命的研究亦显得尤为重要。 本文主要对6110中型CNG发动机中的气门-气门座及镁合金气缸盖罩两种典型部件进行了强度可靠性分析。文中首先系统地分析了气门-气门座这一对摩擦副碰撞接触应力、可靠性及疲劳寿命之间的关系。应用有限元软件LS-DYNA模拟研究了3个完整周期内气门-气门座的动态接触应力。本文还对汽缸罩盖进行了无简化实体建模,使用HYPERMESH对气缸盖罩进行网格划分,并应用有限元软件ABAQUS模拟研究气缸盖罩的热应力。 根据计算结果可以看出,在额速工况下,气门-气门座的升程、速度与理论值吻合,加速度值偏大。气门杆头部由于存在应力集中现象而成为气门最大受力区域,但其值小于气门的最大许用应力。气门落座速度为0.2m/s,小于设计要求(0.5m/s),气门杆头部最大正应力为600MPa,小于气门最大抗拉强度1164MPa。气门座最大径向应力为80MPa,小于材料规定的疲劳极限。镁合金气缸盖罩有限元模拟得出危险点的最大热应力值为149.7MPa,小于材料的许用应力(280MPa)。为气缸盖罩的结构优化、使用维护、疲劳寿命分析等提供了理论依据。 采用雨流计数法对气门-气门座危险点应力进行循环计数,得出随机载荷下的疲劳载荷谱,采用局部应力应变法分析气门-气门座这对摩擦副的疲劳寿命,同时运用应力-强度干涉模型得出气门-气门座系统的可靠度。计算结果表明,该摩擦副使用寿命范围为一年左右,可靠度大约是98.63%。镁合金气缸盖罩的可靠性研究采用名义应力法,通过修正零件S-N曲线和p-S-N曲线得到气缸盖罩的寿命和可靠性,得出气缸盖罩使用寿命为5万次,可靠度约为90%。二者寿命与可靠性均符合设计要求。 本文最后对镁合金汽缸罩盖进行了模型简化,并对其进行结构优化设计。本文设计变量主要是在质量最小、强度在允许范围内镁合金气缸盖罩边缘厚度的最小值。采用ANSYS APDL参数化设计语言进行优化,得出优化后结果,气缸盖罩厚度减小24.2%,即质量减少23.6%,而最大应力值小于镁合金的许用应力。该优化结果为实际镁合金气缸盖罩优化提供了重要的参考。


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