缸体是发动机的核心零部件，在发动机设计中必须保证缸体的安全可靠。本文采用有限元的方法对发动机缸体进行模拟分析，找出缸体设计时存在的问题并提出修改建议，确保缸体的可靠性。

发动机缸体支撑着外围附件以及整个动力系统，重要程度不言而喻。缸体要承受相当复杂的载荷，如缸盖螺栓和主轴承螺栓的预紧力、轴承载荷、轴瓦过盈载荷、缸内燃气压力以及热载荷，承受较大的均应力以及交变应力。因此，在设计过程中，我们主要关注缸体的温度分布、应力分布以及疲劳安全系数。

本文采用有限元的方法，研究缸孔的温度分布、缸体水套表面的应力情况以及缸体油道、水套以及内外表面的疲劳安全系数，并根据分析结果提出了修改方案。

分析模型的建立

发动机主要性能参数如表1所示。分析基于完整的装配模型，包括缸盖、缸体、缸垫、轴承盖、轴瓦、加强板、缸盖螺栓、主轴承螺栓以及加强板螺栓。缸体的铸造材料为灰铸铁，抗拉强度250MPa，疲劳强度115MPa，弹性模量124GPa，热传导系数48W/m.K，热膨胀系数1.1×10-5/℃。

边界条件

1. 温度边界

发动机处于工作状态时要考虑两种主要的换热形式，即缸内燃气表面换热和水套冷却水表面换热。由于发动机表面与环境之间的换热非常微弱，本文不作介绍。

通过CFD分析可以得到所有缸孔沿着深度方向的温度分布和换热系数分布。由于活塞几何的原因，换热系数会产生一个正弦形式的曲线，在下止点时，分析假设机油会通过喷射到缸壁的方式参与冷却活塞。缸孔温度和换热系数曲线如图1所示。

机油喷射发生在缸体内部，分析假设所有的缸体内部表面为稳态温度，值设为120℃。根据经验，分析设定排气道的换热系数和温度为514W/m2.K和778℃；进气道的换热系数和温度为278W/m2.K和56℃。水套的换热系数由CFD分析得到。

2. 力边界

模型主要受到缸内爆发压力、螺栓预紧力、轴承力以及轴瓦过盈力，其中缸盖螺栓预紧力73.5kN，主轴承螺栓预紧力57.8kN，加强板螺栓预紧力20kN，轴承载荷4000N，过盈量50～80mm，缸内最大爆发压强为15MPa。

计算结果

1. 稳态传热分析

图2所示为缸孔温度分布，对于闭式水套的缸体，最热的点在缸孔顶部，最高温度为214℃，位置在第一缸的顶部，在限值范围内，缸孔深度方向温度降低非常明显。一环处温度为206℃，超过200℃的限值，但由于区域很小，仍然是可接受的范围。更需要关注的是最后一个缸孔温度高的区域，很大一部分区域温度在200℃左右，在限值200℃附近，这一部分区域在后期需要注意，可能会增加缸孔和活塞环的磨损。

图3所示为缸体水套的温度分布，水套部分最高温度在第一缸的顶部，深度的方向降低非常明显。与缸孔相同，我们更需要关注最后一缸的温度分布。这项分析中并没有考虑在这个区域是否发生泡核沸腾现象，因此这部分区域有可能会发生表面沸腾影响流量，导致换热系数下降，相应金属的温度上升，甚至会影响缸体的耐久性和缸孔变形量，因此，这个区域要进行详细的应力及疲劳分析，在试验测试阶段也要关注此区域。图3中显示部分金属的温度超过了180℃，可以准备地确定处于最后一个缸上的位置，通过增加此区域冷却液的流速可以帮助降低温度。

2. 应力分析

水套顶部的应力分布一般也是我们比较关心的区域。图4表明有一些区域在热载工况下超过了材料的屈服强度，一些区域是因为没有倒角造成的，而一些已经倒角的区域需要给予关注（橙色圈出的区域）。超过屈服极限随后会产生较大的变形，导致这部分区域的应力重新分布。增加倒角尺寸会帮助我们降低屈服的发生，根据经验，闭式水套缸体的这部分区域一般都会比较突出，但通常不会导致开发的失败。

3. 疲劳安全系数分析

图5所示为油道处的安全系数分布。油道处的安全系数小于1，发生在缸盖螺栓螺纹处凸台附近的倒角处，主要是由均应力引起的；只发生在缸体一侧的不对称性主要是由于不对称的动态载荷引起的。

图6所示为水套顶部的安全系数分布，从中可以看出有几个区域安全系数较低，主要是由缸盖螺栓产生的较大的均应力引起，并且由于热载加重了，分析时使用的三维模型在一些位置没有倒角，使一些比较尖的边缘的应力过高，导致安全系数被低估。但是，SF4和SF7这两个有倒角区域的安全系数也低，均应力超过了拉方向的屈服强度，需要引起重视。事实上，几乎所有的连接缸体缸盖的水套部分安全系数都较低。

图7所示为缸体外表面的安全系数分布云图。点SF9在螺栓力路径附近，这个点也是由于较大的均应力引起的安全系数过低，我们不认为这是一个危险的区域，但是建议增加圆角尺寸来降低应力集中。图8所示为轴承位置的安全系数分布云图，每个轴承油道的边缘安全系数都较低，根据经验在这个位置安全系数低十分常见，但是控制好加工和表面质量的话，这个部位很少会出现失效，不过我们仍然考虑增加一个倒角以提高安全系数。

结语

本文采用有限元的方法对发动机缸体进行模拟分析，得出了以下结论：

1.分析表明，最高温度位置为缸孔的顶部，在限值范围内。需特别关注的第四缸最高温度为200℃，达到目标值的上限，这部分区域在后期的试验中需要给予特别关注。重视缸孔变形以及机油老化现象，建议采取优化冷却策略来降低温度。

2.水套顶部的位置应力和疲劳安全系数均超过了限值，对该区域没有倒角的位置增加倒角，并对已经倒角的位置增加倒角尺寸。

3.在螺栓孔附近油道的位置安全系数小于限值，建议增加倒角尺寸。

4.在油道与轴承边缘设计一个倒角，提高此位置的安全系数。

5. 通过有限元的方法可以在设计初期找出缸体有风险的位置，提出修改方案，并指出后期制造和试验中需要特别关注的部分。