瞬態回響分析

在發動機設計時， 為了提高氣缸蓋的設計效率，縮短設計周期，為了保證氣缸蓋在有限的體積和總量條件下具有足夠的剛度和強度，需要對其結構方案進行準確的評價， 對其壽命進行準確的預估。

瞬態回響分析與靜態分析相比較是一種更符合實際工作狀態的分析方法， 在標定工況轉速下，探討了求解缸蓋瞬態應力的方法，研究了缸蓋高應力梯度部位多軸應力隨著時間的變化趨勢，為缸蓋的疲勞分析與壽命預測提供可靠的邊界條件。

基本介紹

• 中文名：瞬態回響分析
• 比較：靜態分析
• 相關術語：瞬態回響
• 領域：化工

瞬態回響

瞬態回響，指系統在某一典型信號輸入作用下，其系統輸出量從初始狀態到穩定狀態的變化過程。瞬態回響也稱動態回響或過渡過程或暫態回響。瞬態回響好的器材應當是信號一來就立即回響，信號一停就戛然而止，決不拖泥帶水。

缸蓋瞬態分析模型的建立

瞬態動力學分析是確定結構在靜載荷、瞬態載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移，應力，應變和力。瞬態動力學分為完全法、模態疊加法和縮減法，完全法、縮減法是基於直接積分法求解的一種方法。完全法不需要選取主自由度和振型，允許裝配結構的非線性接觸，不涉及質量矩陣的近似，在一次處理過程中即可求出需要的結果，具有一定的方便性，但是求解時間較長。

建立氣缸蓋裝配結構的有限元分析模型，採用完全法對其進行動態回響分析得到瞬態應力，通過與缸蓋靜力學分析結果的對比來判斷分析模型的可信性。

缸蓋的結構離散

氣缸蓋裝配結構分析的格線模型是基於結構的三維實體模型離散得到的。結構離散前的實體模型中不需要考慮所有細節，如果對缸蓋的所有細節都加以考慮，不僅對計算機的硬體要求極高而且也要耗費大量的時間。在保證高應力部位結構細節的前提下對缸蓋結構作了適當的簡化，缸蓋上的加工倒角和直徑小於5mm的螺栓孔全部省略，缸蓋底面通水孔省略，所有螺紋孔用不帶螺紋的圓孔來替代，低應力部位的鑄造圓角省略；對發動機機體做了高度簡化處理，在保證氣缸蓋螺栓孔方向上的機體剛度前提下，將其簡化為一個帶加強筋的外方內圓的桶狀結構，只保留了缸體部位的結構；氣缸墊圈簡化為同一種材料的實體結構；缸蓋螺栓去掉連線螺紋，簡化掉其上的倒圓和倒角。

格線離散時，選取的單元類型為10節點的四面體二階單元，將缸蓋螺栓設定為螺栓單元，缸蓋、機體的材料為蠕墨鑄鐵，墊圈為鋁合金，缸蓋螺栓為42CrMo，裝配結構剖分後單元總數為121478、節點總數為200922。

載荷邊界條件

考慮的載荷類型為兩種：一種是施加在缸蓋螺栓上的預緊載荷，另一種是作用在缸蓋火力面上的氣體壓力載荷。

缸蓋安裝螺栓分為主、副螺栓兩類，主螺栓預緊力為130000N，副螺栓預緊力為85000N，預緊載荷在第二個載荷步施加，在第三個載荷步上鎖定，在後續的載荷步中螺栓預緊力載荷由力轉化成位移施加在有限元分析模型上。通過柴油機的缸內工作過程仿真分析，得到標定轉速工況下的缸內氣體工作過程壓力曲線，將其擴展為3個周期的時間歷程的缸內壓力曲線，作為缸內氣體壓力載荷施加於缸蓋火力面上，氣體壓力載荷方向垂直缸蓋底面向上。

接觸與約束邊界條件

缸蓋有限元裝配結構模型共有4組接觸對：8個缸蓋螺栓頭底面與缸蓋頂面的接觸對；8個缸蓋螺栓的螺紋部分與機體螺栓孔的接觸對；缸蓋底面與氣缸墊的接觸對；缸套上定位凸沿與氣缸墊的接觸對。接觸對的接觸類型均採用柔性的面面接觸；接觸單元為TARGE170和CONTA174號單元；螺栓與機體接觸對的接觸類型為綁定，其它接觸對的接觸類型均為標準接觸類型。在發動機的缸體底面的斷面上選取所有節點施加全約束。限制氣缸體的剛體位移，其它零件的剛體位移通過在接觸面設定摩擦係數後產生的摩擦力來約束。

結論

（1）通過與缸蓋有限元靜態分析結果的對比，修正了缸蓋有限元瞬態回響分析模型，保證了動態回響分析結果與靜態分析結果的應力增減趨勢一致，對於動態應力與靜態應力之間的差別是否與真實情況相吻合，需要通過試驗來驗證。

（2）缸蓋在工作過程中，高應力部位既有多軸比例載荷應力，又有多軸非比例載荷應力，在疲勞壽命評價時可以根據情況區別對待。