摘要：发动机缸体结构复杂，壁厚差大，容易出现应力集中现象，因此在设计阶段对缸体结构进行优化设计具有重要意义。本文论述了发动机缸体有限元分析及其优化设计。
关键词：发动机缸体；有限元分析；优化设计
发动机是汽车的动力装置，其性能直接影响汽车的使用性能。根据发动机的发展，对发动机的设计提出了两个要求：即油品的适应性强及尽可能降低缸体振动。因此，有必要运用理论分析方法对发动机缸体进行分析计算，为设计制造出更稳定、体积更小的的发动机缸体做出基础性研究。
一、发动机缸体简介
发动机是一种能把其它形式的能转化为机械能的机器,它既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器。发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。而缸体是发动机的五大部件之一，是发动机安装所有零件的基础。发动机通过缸体将发动机的曲柄连杆机构和配气机构，以及供油、润滑、冷却等机构联接为一个整体。
此外，发动机缸体的材质一般为灰铁。因缸体工作环境潮湿，且高温、高载荷、摩擦剧烈，所以要求缸体具有高强度、高硬度、高耐磨性及良好的散热性，而灰铁能满足高强度和硬度及高耐磨性等要求，而且工艺性能、减振性、切削加工性能优良，同时成本较低，缺点是重量较大。所以现在越来越多缸体采用铝合金材料，因其能减轻缸体的重量。
二、有限元法概述
有限元法也称为有限单元法或有限元素法,基本思想是将求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合体,寻求物理场的数值解。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。
传统的产品生产过程首先有专家依据经验初步设计出产品,然后据此做出模型,再做出成品。成品完成后,再进行试验,对设计上的问题进行修改。进行重新设计、制造、试验分析。这不但耗费大量的时间,还耗费了大量的人力及物力。
计算机的发展和广泛应用改变了这种状况,提高了产品开发、设计、分析和制造的效率及产品性能。用计算机软件直接绘制产品结构,称为计算机辅助设计(CAE),用计算机来对设计产品实时或进行随后的分析称为计算机辅助工程(CAE),用计算机来操纵各种精密机器以生产产品称为计算机辅助制造(CAM)。
有限元法是计算机辅助工程CAE中的核心技术之一。另外,CAE中还包含了边界元法(BEM)、有限差分法(FDM)等。这几种方法各有其优缺点及应用范围,但有限元法的应用领域最广,比如结构、热、流体等；同时,由于它能处理耦合问题,使其有更大的应用前景。可从专业的角度理解有限元包括虚功原理、泛函极值、变分原理等,也可从直观的意义上理解有限元把连续体划分为足够小的单元,这些单元通过节点和边连接起来,通过选择简单函数如线性函数来近似表达位移或应力的分布或变化,从而得到整个连续体物理量的分布和变化。
三、发动机缸体的有限元分析
1、发动机缸体静力学分析。有限元分析的预处理包括几何建模、网格划分、加载、边界约束、材料等，网格划分的正确与否直接影响到计算速度及精度。图1显示了四缸发动机缸体的三维模型，其材质为铸铁。图2为发动机缸体的有限元模型，缸体底面固定，内表面施加压力载荷，计算得到发动机缸体的静态分析结果。
图1 发动机缸体模型 图2 发动机缸体有限元模型
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当1、3缸体加载时，内壁应力会分布不均，边缘附近出现应力集中，这是因边缘处是两个垂直平面的交界处，而表面有突变，导致应力突变，导致应力集中而成为危险点。在实际应用中，应加圆角以避免应力集中对缸体的影响。由于缸体1、3内壁受力，使缸体2、4受挤压变形，使沿中心线方向的孔径减小。这是因缸体2、4内表面与缸体1、3内表面间的挤压应力不均造成的，仿真结果与实际物理过程相吻合。
2、发动机缸体模态分析。模态分析是用来分析结构的振动特性，即确定结构的固有频率及振型。缸体内气体的燃烧波动会引起燃烧室即发动机缸体内的压力波动，这种压力波动成为发动机缸体的振动激励，发动机缸体的振动又会引起推进剂燃烧的更大波动，从而导致发动机工作失效，发动机缸体的模态分析是缸体优化设计的前提。模态分析包括建模、施加载荷与求解、扩展模态及查看结果等步骤。此外，结构的振动特性决定了结构对各种载荷的响应情况，因缸体内进气、压缩、燃烧和排气四个冲程的交替进行，缸体产生不稳定的气压，从而使缸体产生一定的振动。
3、缸体优化设计。优化设计有设计变量、目标函数及约束条件三个要素。其中，设计变量是优化过程中发生变化的一组参数；目标函数是最优设计性能和设计变量的函数；约束条件是设计的限制条件，以及设计变量的要求。
此外，根据结构设计的特点与要求，优化问题是选择合适的结构优化方法，将需参与优化的数据(设计变量、约束条件及目标函数)定义为模型参数，从而为修正模型提供可能。本文利用ANSYS Workbench仿真环境完成了发动机缸体的优化设计。
在发动机缸体优化过程中，优化目标是使缸体满足刚度和强度要求，从而使缸体应力及体积最小，因此，将缸体的最大等效应力及体积设为目标参数。
对于优化设计问题，应适当地确定设计变量和数目。原则上讲，应尽量减少设计变量的数目，这有利于设计指标的实现，所以活塞孔内壁的受力也是一个重要的输入变量。因此，选取上止点、孔径、拉伸长度和内壁压力作为设计变量。
4、优化结果。在优化设计模型设定后，计算机自动对模型应用“实验法”提供设计点，同时计算机通过模拟每个设计点为优化设计提供依据。通过这些设计点能得到相应的响应曲线，如图3所示。由图3，可直观看出上止点、孔径、拉伸长度和活塞内壁的应力直接影响输出参数(最大等效应力)。其中，上止点对最大等效应力影响不大；而孔径和最大等效应力近似成抛物线函数关系，因孔径越大，缸体的强度越小，最大等效应力越大，因缸体强度减小的速率越来越慢，因而曲线变化速率越来越慢；另外，在一定范围内，拉伸长度越长，强度越小，最大等效应力越大。随着拉伸长度的增加，当其达到一定数值时，其强度随拉伸长度的增加而增大，因此其最大等效应力也随之减小，所以拉伸长度与最大等效应力间的关系是二次函数关系；随着活塞内壁上的受力越大，其强度越小，最大等效应力越大，因而活塞内壁上的受力与最大等效应力近似成正比关系。
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图3 设计变量对缸体最大等效应力影响的响应曲线
参考文献：
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