商用車鋁合金氣缸蓋的靜態(tài)力學(xué)性能分析

汽車行業(yè)中，實現(xiàn)汽車輕量化，降低燃油消耗一直是汽車設(shè)計的目標(biāo)。對于商用車，各汽車制造商都在尋求不降低商用車強(qiáng)度和剛度的同時實現(xiàn)商用車輕量化方法。為保證商用車制造的成本效益，在實現(xiàn)商用車輕量化時，需要保證商用車零部件大小和布局相同，因而只能通過輕量化材料的使用來實現(xiàn)。鋁合金材料具有較低的密度和比剛度，引起了汽車設(shè)計工程師的注意。目前，鋁合金材料已經(jīng)被應(yīng)用在多種汽車零部件和車身上，但影響汽車安全性的關(guān)鍵部件氣缸蓋仍然使用傳統(tǒng)鑄鐵材料。本研究則將鋁合金材料應(yīng)用在氣缸蓋上，并利用有限元方法對氣缸蓋的靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行分析。

由于商用車發(fā)動機(jī)中氣缸壓力較大，因而選擇強(qiáng)度較大的壓鑄鋁合金ADC10替換原來的鑄造鐵FC25。替換時，不改變氣缸蓋上冷卻通道和燃油供給通道的布局，保持與鑄造鐵氣缸蓋相同的尺寸。進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能分析時，需要建立氣缸蓋的有限元模型，而所建立的模型需要采用二階四面體單元，具體為ANSYS SOLID186單元類型。為保證鋁合金氣缸蓋具有足夠的安全性，在確定氣缸蓋負(fù)荷條件時應(yīng)考慮發(fā)動機(jī)最惡劣的工作條件。將氣缸蓋負(fù)荷分為3類：裝配負(fù)荷、氣體壓力和溫度負(fù)荷。其中，裝配壓力主要指防止氣體漏出緊固螺栓的預(yù)緊力，該值最高為72kN；氣體壓力為燃油燃燒產(chǎn)生的缸內(nèi)壓力，該值為循環(huán)應(yīng)力，最大值為17MPa；溫度負(fù)荷主要考慮發(fā)動機(jī)在運行過程中溫度升高而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，其值通過計算流體動力學(xué)確定。將確定后的氣缸蓋負(fù)荷應(yīng)用到氣缸蓋有限元模型上，并采用Hypermesh軟件作為有限元前處理器，ANSYS軟件作為有限元求解器對有限元模型進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)性能分析。分析結(jié)果顯示，與鑄鐵氣缸蓋相比，鋁合金氣缸蓋的質(zhì)量減輕了25%～30%，成本降低了30%，其疲勞特性和各點處的形變都得到了改善。

Suresh Kumar Kandreegula et al.SAE 2016-01-2349.

編譯：陳丁躍