CAE技术在发动机开发中的应用.ppt
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1、CAE技术在发动机开发中的应用技术在发动机开发中的应用奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院杨万里杨万里目目 录录 1 1 发动机性能仿真(概念设计)发动机性能仿真(概念设计)1.1 发动机热力学仿真发动机热力学仿真 1.2 发动机配气体机构分析 2 2 发动机结构及发动机结构及CFDCFD分析(详细设计)分析(详细设计)2.1 发动机曲轴动力学分析发动机曲轴动力学分析 2.2 发动机主轴承座分析发动机主轴承座分析 2.3 连杆强度分析 2.4 流固耦合分析流固耦合分析 2.5 进气歧管CFD分析 2.6 冷却水套CFD分析 2.7 NVHNVH分析分析 2.8 发动机附
2、件支架结构强度分析 2.9 发动机悬置支架结构强度分析3 3 发动机机械开发发动机机械开发3.1 发动机悬置支架分析3.2 连接螺栓断裂分析3.3 附件安装凸台断裂分析3.4 缸体开裂失效分析缸体开裂失效分析3.5 共振噪声分析1.1 1.1 发动机热力学仿真发动机热力学仿真分析软件分析软件 AVL Boost、Ricardo Wave、GT-Power等专业热力学分析软件;也可自己开发软件;分析目的分析目的 根据设定的设计指标,如:低端扭矩,最大扭矩,额定功率,WOT最低油耗,部分负荷燃油耗等参数确定设计方案和重要参数。设计方案中新技术的采用设计方案中新技术的采用:CBR,VVT,DGI,T
3、C,TCI,NA,Low Cost,DOD 发动机参数确定发动机参数确定:气门正时(IVC,EVO,DURATION)、Valve lift、气道特性、进气歧管、排气歧管、进气稳压腔、进气系统压损、排气系统背压。分析时进行参数调整,使性能计算指标达到设计目标,另外,还可以进行性能优化分析。热力学仿真模型热力学仿真模型 难点难点燃烧参数、摩擦功的确定。例:1.6 L NA CBR Engine with VVT(BS=81.0 mm77.5 mm)Setup of simulation modelInvestigations on the valve timing and the lift pr
4、ofiles for intake and exhaustInvestigations on the dimensions of the intake systemInvestigations on the dimension of the exhaust systemEvaluation of the influence of the port-flow characteristicsEvaluation of the influence of the pressure losses in the intake and exhaust systemsPrediction of full-lo
5、ad performanceThe following engineering targets(RON 95)had to be considered for the performance calculations:Rated power:87 kW(+0/-3%)6200 rpm Max.torque:147 Nm(+0/-3%)4300 rpm Torque at low speed:121 Nm(+0/-3%)1500 rpm Min.BSFC at Full Load:275 g/kWh 主要分析过程及内容主要分析过程及内容2.1 2.1 发动机曲轴系动力学计算发动机曲轴系动力学计算
6、计算目的:了解曲轴系的刚度特性,主要是求解曲轴的一阶扭转刚度(模态分析,模型包括曲轴、飞轮、扭转减振器,如果为ISG混合动力曲轴,则还需要加上电动机转子);了解曲轴的扭振特性;了解曲轴的强度特性、评价其疲劳寿命;了解曲轴轴瓦的受力情况;了解曲轴的润滑情况;为发动机振动声学分析提供载荷;计算方法:采用有限元子结构法进行曲轴瞬态动力学分析;如需要计算最小油膜厚度及最大油膜压力,则需要采用流体动力润滑模型,否则,采用非线弹性弹簧模拟曲轴与轴瓦之间的连接特性;结构被假设成线弹性柔体;有限元模型及子结构模型有限元模型及子结构模型 采用一阶六面体单元 建立简单的简易主轴承座模型拐处圆角单元需要细分模态分析
7、(ABAQUS):一阶扭曲391.93 Hz 建立子结构分析模型(ABAQUS)定义主自由度分析模型搭建子结构分析结果子结构分析结果利用每个工况下各个主轴承座在水平和垂直方向的受力图,可以列出每个工况下的轴承负荷情况表格,从而确定最大载荷点出现的工况及出现的位置。水平方向的轴承载荷 垂直方向的轴承载荷 曲轴系在某一工况下的最大油膜压力 曲轴系在某工况下的最小油膜厚度 最大油膜压力小于轴瓦材料表面承受压力,从绝对值来看应小于50MPa,瞬间可接近100Mpa。最小油膜厚度为1.0。由图可知,最小油膜厚度接近1.0,似乎这种最小油膜厚度偏小。据资料统计,有一些发动机轴承,即使在小的最小油膜厚度下,
8、仍然有较好的工作可靠性。这可能与薄壁轴瓦结构柔软的合金层产生了良好的顺应性有关。此外,发动机经磨合后,轴承摩擦副将获得更好的配合,也是原因之一。轴心轨迹 主轴颈圆角危险点应力 曲柄销圆角危险点应力 疲劳分析左图为危险点应力时间历程,横坐标为曲轴转角deg,纵坐标为stressN/mm2。在指定工况下找到对应曲柄销圆角上的危险点的位置。Smith图 2.4 2.4 发动机主轴承座结构强度分析发动机主轴承座结构强度分析 建立了包括缸体、框架、轴瓦、曲轴以及连接螺栓的发动机主轴承座网格模型,通过指定不同的接触区域、接触条件、载荷、约束边界条件及多点约束,分别建立了螺栓预紧、轴瓦过盈、曲轴动压力以及热
9、负荷四种工况主轴承座强度分析有限元模型。采用2阶修正单元并通过接触主从面上单元的对应性来保证计算精度和收敛性。根据工况和材料决定参与计算的零件数目、零件之间的接触关系及工况数目。采用ABAQUS软件完成分析过程。(1)搭建FE模型(main bearing wall,bedplate,inlay,bolts,bearing shells and crankshaft journal);(2)对四种工况进行分析(bolt pre-load,bearing shells interference fit,thermal load and dynamic bearing load);(3)对整体变形
10、和轴孔变形进行评价;(4)对应力进行评价;(5)疲劳评价(fatigue);(6)滑移和滑移表面压力评价(slip);螺栓预紧工况轴瓦过盈工况热负荷工况轴承动压工况有限元模型 有限元模型 边界条件施加螺栓预载荷施加的接触面 螺栓装配载荷工况边界条件 轴瓦装配载荷工况边界条件 热载荷工况边界条件 动轴瓦载荷工况边界条件 变形结果 轴瓦孔的变形会影响到最小油膜厚度,因此变形估算很重要。对螺栓预紧力载荷工况引起的变形可以不予考虑(在装配螺栓后对轴瓦孔要机加工,变形被排除)。对轴瓦过盈装配及热载荷引起的变形在各方向基本均匀,因此变形不予重点考虑。需要特别注意动轴瓦载荷工况引起的变形,如图,,在Y向的变
11、形是31.3m,X向是-13.9m,而轴承间隙是40m,变形小于间隙,这样就可以保证最小油膜厚度。动轴瓦载荷引起的变形(Fdyn32kN)应力结果 应力允许的临界值通过有限寿命的安全因子来评估,左图为当量应力分布图,最大当量应力与所用材料的屈服极限值比较。按照弹性处理时,除螺纹以及螺栓头部(螺母)下的区域外,最大当量应力都应该小于屈服极限。按照塑性进行处理时,所有区域(包括螺纹以及螺栓头部即螺母)的最大当量应力都应该小于屈服极限,才能使强度满足要求。螺栓装配载荷工况应力分布 动轴瓦载荷工况(Fdyn32kN)应力分布 接触压力分析 缸体和框架之间分界面的压力分布应该估算以发现在两零件之间是否有
12、相对滑动,从而调整螺栓预紧力。下图为分界面上的压力、应力分布图。在计算中可以用以下公式来评估滑动特性,FN-|Q|0。其中FN是最大理论摩擦力,是摩擦系数,一般取为0.15;Q是剪切力。缸体和框架之间分界面压力、应力分布 主轴瓦背压高周疲劳分析 前三种工况视为静载处理,仅仅考虑动载荷工况组合所有的载荷工况以查找最不利的载荷组合。对于冷态发动机,安全因子都大于1.1,对于热态发动机,有两个区域的安全因子小于1.1。搭建有限元模型时,在两区域太过苛刻的边界条件(在bedplate和inlay之间,真实情况存在滑动),如果考虑实际的滑动情况,该区域的安全因子应该满足要求。内部区域亦出现低安全因子区域
13、,原因同样为过强的约束。如果考虑局部的塑性变形等,该区域的安全因子也满足要求。工艺上,采取滚压以避免裂纹产生源。2.4 2.4 流固耦合分析流固耦合分析2.4.1 发动机缸盖热负荷分析采用流固耦合分析方法,分析SSI和DSI发动机的温度场和热应力。首先,建立发动机水套的CFD计算模型,计算发动机冷却水与缸盖壁面的对流换热系数和环境温度:图1为有限元模型,包括1/4缸盖、进排气阀、座圈、气门导管,图2和图3为CFD计算出的边界条件。模型处理(1)水套壁面的边界条件采用CFD软件计算得到;(2)燃烧室壁面的边界条件采用发动机热力学软件计算得到;(3)气道边界条件通过实验数据或根据经验确定;(4)建
14、立三维模型后,抽取三维模型的壳网格,将CFD边界条件映射至水套壁面,得到水套 壁面的边界条件,边界条件的建立过程如图4:图4 水套壁面边界条件建立过程(5)导套与缸盖、火花塞与缸盖、气门座圈与缸盖之间采用TIE连接;(6)气门与导套、气门与气门座圈间建立接触模型,接触面取传热系数;温度场计算结果图5和图6为SSI和DSI发动机缸盖温度场计算结果,图7和图8为SSI和DSI发动机缸盖热应力计算结果,图9和图10为燃烧室壁面温度测量值与计算值的对比情况:2.4.2 排气歧管热负荷分析模型处理由于高热负荷的作用,发动机排气歧管出现裂纹失效,通过流固耦合方法,计算发动机排气歧管的热负荷,然后,根据计算
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- CAE 技术 发动机 开发 中的 应用
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