商用车铝合金气缸盖的静态力学性能分析

商用车铝合金气缸盖的静态力学性能分析

汽车行业中，实现汽车轻量化，降低燃油消耗一直是汽车设计的目标。对于商用车，各汽车制造商都在寻求不降低商用车强度和刚度的同时实现商用车轻量化方法。为保证商用车制造的成本效益，在实现商用车轻量化时，需要保证商用车零部件大小和布局相同，因而只能通过轻量化材料的使用来实现。铝合金材料具有较低的密度和比刚度，引起了汽车设计工程师的注意。目前，铝合金材料已经被应用在多种汽车零部件和车身上，但影响汽车安全性的关键部件气缸盖仍然使用传统铸铁材料。本研究则将铝合金材料应用在气缸盖上，并利用有限元方法对气缸盖的静态力学性能进行分析。

由于商用车发动机中气缸压力较大，因而选择强度较大的压铸铝合金ADC10替换原来的铸造铁FC25。替换时，不改变气缸盖上冷却通道和燃油供给通道的布局，保持与铸造铁气缸盖相同的尺寸。进行静态力学性能分析时，需要建立气缸盖的有限元模型，而所建立的模型需要采用二阶四面体单元，具体为ANSYS SOLID186单元类型。为保证铝合金气缸盖具有足够的安全性，在确定气缸盖负荷条件时应考虑发动机最恶劣的工作条件。将气缸盖负荷分为3类：装配负荷、气体压力和温度负荷。其中，装配压力主要指防止气体漏出紧固螺栓的预紧力，该值最高为72kN；气体压力为燃油燃烧产生的缸内压力，该值为循环应力，最大值为17MPa；温度负荷主要考虑发动机在运行过程中温度升高而产生的温度应力，其值通过计算流体动力学确定。将确定后的气缸盖负荷应用到气缸盖有限元模型上，并采用Hypermesh软件作为有限元前处理器，ANSYS软件作为有限元求解器对有限元模型进行静态力学性能分析。分析结果显示，与铸铁气缸盖相比，铝合金气缸盖的质量减轻了25%～30%，成本降低了30%，其疲劳特性和各点处的形变都得到了改善。

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

编译：陈丁跃