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1缸蓋CAE開發體系與流程

圖1為缸蓋開發CAE體系與流程圖，主要包括CFD、可靠性、鑄造、結構NVH等四個技術領域；這些分析與優化過程往往相互交織，互相提供輸出輸入的邊界條件、參數等；如燃燒室CFD、水套CFD計算為溫度場分析提供流體側熱邊界條件，溫度場分析為熱疲勞提供邊界條件，鑄造分析為強度、壽命分析提供殘余應力輸入等。后文章節將分別對缸蓋主要CAE分析內容進行具體的描述。

2缸蓋CFD與流固耦合分析

對于缸蓋設計的CFD分析主要有:氣道的CFD分析，燃燒室的CFD分析及冷卻水套的CFD分析。流體通用控制方程為當取不同值時上式就可以表達為連續方程、動量守恒（NS）方程、能量守恒方程及湍流輸運方程。上式各項從左到右依次為：非穩態項，對流項，擴散項及源項。

2.1氣道及燃燒室CFD分析

三維氣道及燃燒室CFD分析用于預測氣道及缸內氣體流動、噴霧及燃燒過程，為氣道及燃燒室形狀優化、缸內油氣混合過程改善、噴油器選

型及電控標定參數優化提供技術參考，對后期A樣機的燃燒性能開發提供重要的技術數據。氣道流動計算采用Fluent軟件，分別計算不同氣門升程下的缸內流動分布形態并評價流量系數及滾流比等；圖3為缸孔36mm高度處橫截面的燃氣速度分析結果與粒子圖像速度測試（PIV）的對比情況。缸內流動、噴霧及燃燒計算采用Star-CD軟件，該CFD分析計算應用的子模型見表1。通過計算可以得到不同曲軸轉角的進氣及缸內流動分布、湍流運動、燃油噴射霧化、燃料濃度分布、當量比分布、火焰傳播、燃氣壓力及溫度分布等。圖4為在發動機1500r/min@滿負荷工況下，缸內燃氣溫度在曲軸轉角740度時刻分布以及仿真結果與測試結果的曲線對比。該項分析也為溫度場分析提供氣道及燃燒室側的熱邊界條件。2.2缸蓋水套CFD分析發動機水套內冷卻液的流動狀況直接影響發動機熱效率、高溫零部件的熱負荷、發動機的熱量分配和能量利用。缸蓋水套分析必須與缸體水套、缸墊孔一起進行，主要目的是評估缸蓋水套的流動狀況、流量分布等。

三維的CFD計算需要從冷卻系統的一維仿真分析得到相關數據輸入（如額定轉速下，水套各進、出口處的流量、壓力等數據）；計算介質為冷卻液，需要輸入冷卻液隨溫度變化的屬性，如密度、粘度、導熱系數等。如圖5所示為額定工況下，缸蓋水套的冷卻液速度分布圖。一般要求消除流動死區和速度梯度過大的區域；評估各缸流速分布的均勻性等。圖6為額定工況下缸蓋水套壁面換熱系數HTC的分布圖。對于缸蓋熱負荷較高的關重區域（如缸蓋鼻梁區、火花塞區）換熱系數一般都有最低數值要求。由于缸蓋不同區域溫度不同，CFD沸騰計算較困難，通常采用定常計算，并對分析結果做如下處理：通過流場分布可以找出那些臨界區域，也就是那些熱負荷高但流速比較緩和的區域。通過優化這些區域冷卻液的流動，保證產生的氣泡能被及時傳送出去。通道狹窄的區域，為了保證氣泡的傳輸，局部流速應更高。

2.3流固耦合溫度場分析

流固耦合分析以及3.1節的高周疲勞計算一般都在整機狀態下(包括缸體、缸墊、連接螺栓等)進行。首先，提取有限元實體網格的燃氣側、水套側面網格單元數據；然后，將該數據導入到CFD軟件，通過對CFD計算結果的時效平均映射得到初始流固耦合壁面的流體溫度與換熱系數。對于缸蓋水套的換熱系數的大小主要取決于壁面附近的流體邊界層性質。在壁面溫度較低而不會出現氣泡或沸騰時，其換熱性質可參照傳熱中的一般湍流放熱來進行分析和估算；這時的情況是表面水流速度愈高邊界層厚度愈小，放熱系數值越大。但當壁面溫度及水溫較高而接近水的飽和溫度時，其對流換熱性質就開始變化而具有沸騰放熱的特征。由以上基本理論可知：對于缸蓋流固耦合溫度場分析，需要對水套CFD初始熱邊界的換熱系數進行修正，修正公式為。另外，由于水套CFD計算時初始壁面溫度為假設值；所以，一般需要對流固耦合邊界數據進行多次地循環映射，直到最后兩次迭代運算的溫度場差異小于5%左右即可。機體溫度是衡量發動機性能能否保持正常且可靠工作的核心參數之一。缸蓋底板中心區一直受到燃氣的加熱，工作溫度較高且不均勻性較大。圖8為缸蓋在額定工況下的溫度場分布；與測試結果的差異小于5%。一般根據缸蓋材料的實際高溫力學特性，確定最高溫度上限值。圖9為排氣門導管區域局部溫度圖；由于在A樣機試驗階段出現排氣門導管磨損超標的狀況，對該處溫度進行了重點的關注與排查；如排氣門導管上部或下部溫度過高，可能會帶來由于耐磨性下降或潤滑不良導致的磨損問題。該排氣門為中空充鈉設計，液態鈉的熱導率參數設置對導管溫度計算結果影響較為明顯。

3缸蓋強度CAE分析

3.1缸蓋高周疲勞分析

缸蓋高周疲勞分析是指在相對穩定的高溫狀態下（一般取額定工況，忽略表面溫度的高頻波動），以各缸燃燒壓力沖擊導致的應力幅值為主要參數進行的安全強度評估；主要步驟如下：步驟一：施加裝配載荷：包括螺栓預緊力、氣門座圈過盈、氣門導管過盈量等，以及位移約束等；步驟二：對有限元模型映射2.3節的溫度場結果，熱應力與步驟一裝配應力的合應力作為高周安全系數計算的常應力工況；后序的步驟是:分別對各缸的燃燒室面施加最大燃氣爆發壓力（設計階段一般采用熱力學模擬缸壓數據）；圖10為模擬與實測的額定轉速缸壓曲線圖，可見兩者十分相近，模擬缸壓在峰值處略高于實測缸壓）。根據各缸爆壓工況的應力結果，合成出缸蓋在工作狀態下的平均應力及應力幅值。最后根據以上計算的應力結果，再應用FEMFAT軟件的BASIC模塊，輸入缸蓋材料的力學性能參數（包括拉伸、壓縮、彎曲、剪切等狀態），并選擇溫度、粗糙度、尺寸等計算因素，即可計算出缸蓋的高周疲勞安全系數分布圖（圖11，最小安全系數為1.59，位于中間缸燃燒室的背部）。

3.2缸蓋低周疲勞分析

低周疲勞也稱應變疲勞，主要采用應變作為其疲勞性能的控制參量。對于缸蓋低周疲勞分析，一般是參照發動機冷熱沖擊循環試驗工況進行計算設置，以溫度為變量的可靠性分析手段。首先，分別計算在怠速工況（或常溫）以及額定轉速（或最高轉速）工況下的溫度場分布；然后，再計算在溫度循環波動狀態下的結構應力應變變化情況；然后，根據應變幅值結果以及材料的應變-壽命（E-N）曲線，評估出結構能夠受的循環次數（根據循環周期，即可推算出壽命時間）。材料的高溫力學性能參數對于精準的低周疲勞分析是十分關鍵的；主要需要以下材料數據：彈性模量、應力應變曲線（圖12），熱膨脹系數、循環應變硬化指數等。大多數金屬材料，在橫幅對稱應變循環數達到一定次數后，應力-應變響應逐漸趨于穩定，形成穩態滯后環。所以，對于缸蓋低周疲勞分析，一般要進行20次以上的冷熱循環工況計算，輸出結果才會趨于穩定。圖13為缸蓋低周疲勞計算的冷熱工況循環示意圖，圖中Rated表示額定工況轉速，Idle為怠速工況。由于缸蓋有限元模型規模較大（單元節點數高達60-100萬個），對整體模型開展低周疲勞計算周期會太長；為此，對于缸蓋低周疲勞計算一般采用子模型方法（ABAQUS軟件的SUBMODEL功能），實踐表明該方法能提高計算效率200%左右。對于缸蓋燃燒室區域，其溫度、載荷波動最大，也是缸蓋結構最為關重的區域；圖14為本次低周疲勞分析截取的缸蓋子模型。表2為圖14中兩處標注的關重區域（火花塞處①、噴油器處②）低周疲勞壽命分析評估結果；通過該表可知，該缸蓋的循環次數Nf滿足工程設計要求（對應發動機300h的冷熱沖擊試驗工況）。

4缸蓋鑄造CAE分析

缸蓋鑄件的許多鑄造缺陷是由于澆注系統和工藝的不完善導致的。鑄造過程的金屬液充型階段對鑄件質量有很大的影響，卷氣、夾渣、澆不足、冷隔等嚴重的鑄造缺陷都發生在充型階段。本文在缸蓋開發早期，通過對其毛坯進行鑄造充型CAE分析，預測充型階段金屬液在可以對鑄造澆道、冷卻系統等進行評估與優化，以及預測缺陷發生、殘余應力等。本文鋁合金缸蓋產品采用重力傾轉鑄造工藝，鑄造模具設備如圖15所示；表3為鑄造分析的主要工藝參數。本文的鑄造CAE分析采用MAGMA軟件，FDM模型網格數達到1440萬。高溫鋁液被假設成不可壓縮的牛頓流體，可用連續方程、運動方程和能量方程描述。充型過程金屬液自由表面問題的處理采用體積函數法圖16為2.5s時刻鋁液的流速圖；通過流速分布來評判流動形態狀況（如層流、紊流等）、對砂芯的沖擊以及可能發生的卷氣情況。圖17為2.5s時刻鋁液溫度分布圖。通過鑄造CAE多方案的比對分析，對澆道長度、澆注起始角度、溶液流入口位置等方面提出了有效的優化建議。

5缸蓋結構NVH分析

缸蓋結構不僅要滿足強度要求，也要達到一定的剛度指標，這兩個方面相互影響；在開發早期可通過仿真手段進行評估與優化。缸蓋結構NVH分析主要包括自由模態分析與頻響分析。缸蓋自由模態分析主要關注第一階扭轉頻率，并與對標機缸蓋進行對標。本文缸蓋初始結構的第一階扭轉模態頻率為1594Hz；通過增加火花塞安裝凸臺與螺栓安裝凸臺的斜向連接筋措施優化（圖18），第一階扭轉頻率提高至1880Hz，略高于對標機。缸蓋頻響分析是對結構的相應加載點分別施加燃燒爆發壓力、凸輪軸承力和氣門落座力（采用企業數據庫的標準激勵）等載荷，計算得到速度級等響應結果。圖19為缸蓋頻響分析加載點位置示意圖；圖20為缸蓋頻域響應結果與主要扭振模態振型的關聯示意圖；圖21為缸蓋結構優化前后的1/3倍頻程速度級響應曲線對比，從圖中可以看出在能量最大頻段（3500-4000Hz），優化后缸蓋的速度級響應值降低了8.3dB。

6結論

（1）燃燒CFD以及水套CFD計算為溫度場分析提供流體側熱邊界；考慮冷卻液沸騰換熱等因素，通過多輪流固耦合迭代運算，得到精準的溫度場結果（與測試結果誤差小于5%）。（2）缸蓋的高周疲勞安全系數以及低周循環壽命結果均滿足設計要求；通過NVH分析，對缸蓋結構進行了剛度優化。（3）鑄造CAE分析對缸蓋澆道系統提出了有效的改進措施。（4）綜合缸蓋多領域仿真理論與實踐提出了“缸蓋開發CAE仿真體系與流程”；證明該套仿真方法可有效地提高企業的自主研發水平。

作者：楊懷剛胡鐵剛詹樟松余訓蔣樹輝鄭建軍賈正鋒楊勇徐熹郝濤單位：重慶長安汽車股份有限公司動力研究院