CN107491570A - 一种基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，包括步骤：S1、建立缸盖工件模型、缸盖罩盖工件模型、缸盖罩垫片工件模型以及螺栓工件模型；S2、对全部工件模型进行有限元网格划分，并对缸盖罩垫片工件模型进行应力应变属性的加载；S3、将上述有限元网格划分后的全部工件模型以及加载应力应变属性后的缸盖罩垫片工件模型进行装配并根据实际工况施加模拟载荷；S4、根据模拟载荷计算得出缸盖罩垫片工件模型的静载接触压力以及动载接触压力，并依据静载接触压力和动载接触压力评价缸盖罩垫片工件模型是否满足密封要求。上述检测方法，能够对缸盖罩垫片进行预先模拟分析，从而减小了样件的研发周期，降低了研发费用。

Description

一种基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法

技术领域

本发明涉及车辆发动机技术领域，特别涉及一种基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法。

背景技术

众所周知，发动机密封性是评价发动机品质的重要指标之一，良好的密封一直是发动机整机可靠性的重要保障。缸盖罩盖垫片主要作用是起密封作用，保障润滑油不泄露。而缸盖罩盖垫片的强度以及密封性能的好坏直接影响发动机工作的安全性和可靠性；因此，缸盖罩盖垫片是发动机重要的密封件。

针对缸盖罩垫片的检测方式，目前多采用面压试验方法，即将缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩盖垫片、螺栓等零部件进行装配，通过试验方法测量垫片面压，从而评价垫片密封性。

然而通过上述面压试验方法测量缸盖罩垫片的面压，从而评价垫片密封性，为了实现这一过程往往需要事先做出垫片样件，这样即延长了研发周期也增加了研发费用，并且面压试验只能对装配下的静面压进行评价，而对发动机工作情况下动载的面压载荷无法评价。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，该方法可以解决无法检测动载情况下缸盖罩垫片密封性能的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，包括步骤：

S1、针对缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓分别建立缸盖工件模型、缸盖罩盖工件模型、缸盖罩垫片工件模型以及螺栓工件模型；

S2、对全部所述工件模型进行有限元网格划分，并对所述缸盖罩垫片工件模型进行应力应变属性的加载；

S3、将上述有限元网格划分后的全部所述工件模型以及加载应力应变属性后的所述缸盖罩垫片工件模型进行装配并根据实际工况施加模拟载荷；

S4、根据所述模拟载荷计算得出所述缸盖罩垫片工件模型的静载接触压力以及动载接触压力，并依据所述静载接触压力和所述动载接触压力评价所述缸盖罩垫片工件模型是否满足密封要求。

优选地，在所述步骤S2中，对全部所述工件模型进行有限元网格划分的方式包括：

对所述缸盖工件模型、所述缸盖罩盖工件模型以及所述螺栓工件模型划分为二阶四面体单元，对所述缸盖罩垫片工件模型的加强筋划分为一阶六面体单元。

优选地，在所述步骤S2中，对所述缸盖罩垫片工件模型进行应力应变属性的加载的方式具体为：

将应力应变属性加载至所述缸盖罩垫片工件模型的加强筋上。

优选地，在所述步骤S3中，对根据实际工况施加模拟载荷的方式包括：

对所述螺栓工件模型施加装配静载荷，还包括对所述缸盖工件模型和所述缸盖罩盖工件模型施加工作工况下的凸轮轴动载荷。

优选地，在所述步骤S3中，对所述螺栓工件模型施加装配静载荷具体为：

对所述螺栓工件模型施加最小的螺栓载荷力。

优选地，在所述步骤S3中，所述工作工况下的凸轮轴动载荷具体为：

对应发动机工作状态以及发火顺序对各缸凸轮轴所施加的工作载荷力。

优选地，在所述步骤S4中，根据所述模拟载荷计算得出所述缸盖罩垫片工件模型的静载接触压力以及动载接触压力的方式包括：

根据所述装配静载荷计算得出所述缸盖罩垫片工件模型的静载接触压力，以及根据所述工作工况下的凸轮轴动载荷计算得出所述缸盖罩垫片工件模型的动载接触压力。

优选地，依据所述静载接触压力和所述动载接触压力评价所述缸盖罩垫片工件模型是否满足密封要求的方式包括：

当所述静载接触压力和所述动载接触压力均大于0Mp时，则所述缸盖罩垫片工件模型满足密封要求。

优选地，所述缸盖罩垫片工件模型具体为直列四缸发动机、直列六缸发动机或者是V形六缸发动机的缸盖罩垫片工件模型。

相对于上述背景技术，本发明所提供的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，主要包括四个步骤，在步骤S1中，针对缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓分别建立缸盖工件模型、缸盖罩盖工件模型、缸盖罩垫片工件模型以及螺栓工件模型；在步骤S2中，对上述四个建立后的工件模型进行有限元网格划分，并对缸盖罩垫片工件模型加载应力应变属性；在步骤S3中，将上述有限元网格划分后的全部工件模型以及加载完成应力应变属性后的缸盖罩垫片工件模型进行装配，并将上述四者根据实际工况施加模拟载荷；在步骤S4中，根据模拟载荷计算得出缸盖罩垫片工件模型的静载接触压力和动载接触压力，并依据计算得出的静载接触压力和动载接触压力评价缸盖罩垫片工件模型是否满足密封要求。本发明所提供的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，首先，可以通过三维仿真软件进行模型搭建工作，即建立缸盖工件模型、缸盖罩盖工件模型、缸盖罩垫片工件模型以及螺栓工件模型四个主要工件模型；其次，针对上述四个工件模型，可以在有限元仿真软件中进行有限元网格划分；并且由于缸盖罩垫片为非线性属性，因此可以预先得出缸盖罩垫片工件模型的应力应变属性曲线图，并在有限元仿真软件中将应力应变属性加载至缸盖罩垫片工件模型中；也就是说，缸盖罩垫片工件模型的应力应变属性曲线图具体为缸盖罩垫片工件模型的压缩量与线压之间的曲线；并且将应力应变属性曲线在有限元仿真软件中加载至缸盖罩垫片工件模型上；然后，针对已进行有限元网格划分之后的四个工件模型以及已经加载应力应变属性曲线的缸盖罩垫片工件模型施加模拟载荷，利用有限元仿真软件计算得出缸盖罩垫片工件模型的静载接触压力和动载接触压力；最后，根据计算得出的静载接触压力和动载接触压力分别评价缸盖罩垫片工件模型的密封是否可靠。也就是说，通过计算得出的静载接触压力可以得出缸盖罩垫片工件模型在静载下的受力情况，即缸盖罩垫片工件模型仅仅在装配力之下的受力情况；而计算得出的动载接触压力能够有效反映出缸盖罩垫片工件模型在发动力运转的情形下缸盖罩垫片工件模型的受力情况，从而评价缸盖罩垫片工件模型的密封是否可靠。采用上述方法，能够对缸盖罩垫片进行预先模拟分析，从而减小了样件的研发周期，降低了研发费用，并且通过模拟计算所得出的结果判断缸盖罩垫片的密封是否符合要求，降低了因密封不当所造成的风险。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法的流程图；

图2为图1中缸盖罩垫片工件模型的应力应变属性曲线示意图；

图3为图1中各个工件模型有限元网格划分后的示意图；

图4为图1中各缸吸气凸轮的动载荷示意图；

图5为图1中各缸排气凸轮的动载荷示意图；

图6为图1中缸盖罩垫片工件模型的加强筋的结构示意图。

其中：

1-缸盖工件模型、2-缸盖罩盖工件模型、3-缸盖罩垫片工件模型、4-螺栓工件模型。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，该方法可以检测在动态载荷下缸盖罩垫片的密封可靠性。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图6，图1为本发明实施例所提供的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法的流程图；图2为图1中缸盖罩垫片工件模型的应力应变属性曲线示意图；图3为图1中各个工件模型有限元网格划分后的示意图；图4为图1中各缸吸气凸轮的动载荷示意图；图5为图1中各缸排气凸轮的动载荷示意图；图6为图1中缸盖罩垫片工件模型的加强筋的结构示意图。

本发明提供的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，主要包括四个步骤，如说明书附图1所示。步骤S1为，针对缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓分别建立缸盖工件模型1、缸盖罩盖工件模型2、缸盖罩垫片工件模型3和螺栓工件模型4；具体来说，可以利用三维制图软件根据实际零件的尺寸建立上述四个工件模型。三维制图软件可以为Pro-E，UG，Solidworks等，并且上述四个工件模型可以按照与缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓的尺寸比为1:1的比例进行建立；当然，根据实际需要，还可以采用其他三维制图软件以及其他尺寸比对上述四个工件模型进行建立。

当缸盖工件模型1、缸盖罩盖工件模型2、缸盖罩垫片工件模型3和螺栓工件模型4建立完毕之后，进行步骤S2，对上述四个工件模型进行有限元网格划分；即，当上述四个工件模型建立完毕之后，可以将四个工件模型导入至有限元仿真软件中，并且对上述四个工件模型进行有限元网格划分；除此之外，针对具备三维制图功能的有限元仿真软件，可以直接在有限元仿真软件中建立上述四个工件模型，并且在该有限元仿真软件中进行有限元网格划分；有限元网格划分完毕之后，在有限元仿真软件中对缸盖罩盖工件模型2进行应力应变属性的加载，说明书附图2为缸盖罩垫片工件模型的应力应变属性曲线示意图；由于缸盖罩盖工件模型2属于非线性属性，可以通过试验得到如说明书附图2所示的应力应变属性曲线图，并且在有限元仿真软件中将应力应变属性曲线图所承载的数据加载至缸盖罩盖工件模型2中，赋予缸盖罩盖工件模型2具有如应力应变属性曲线所示的属性。当然，缸盖罩盖工件模型2的应力应变属性曲线还可以通过其他计算机仿真软件得到，本文将不再赘述。

在步骤S3中，将已进行有限元网格划分后的缸盖工件模型1、缸盖罩盖工件模型2、缸盖罩垫片工件模型3和螺栓工件模型4以及已进行应力应变属性加载的缸盖罩盖工件模型2进行装配，如说明书附图3所示；上述装配过程可以在有限元仿真软件中进行；与此同时，对于上述四个工件模型还应施加模拟载荷，该模拟载荷应基于缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓在实际运行中所受到的工作载荷而定；即，可以通过试验或者利用计算机仿真软件计算得出缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓在实际运行中各自所受到的工作载荷，并基于该工作载荷得到模拟载荷加载至各自对应的工件模型中。需要说明的是，当缸盖工件模型1、缸盖罩盖工件模型2、缸盖罩垫片工件模型3和螺栓工件模型4完全是以缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓的实际尺寸建立时，并且缸盖工件模型1、缸盖罩盖工件模型2、缸盖罩垫片工件模型3和螺栓工件模型4完全能够体现出缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓的形状构造等特征时，通过上述得到的工作载荷可以看作是模拟载荷加载至工件模型中；倘若工件模型与各自对应的部件之间具有一定比例关系，则通过上述得到的工作载荷应通过一定比例系数得到模拟载荷，从而将模拟载荷加载至工件模型中。上述各个工件模型的装配过程可以在模拟载荷加载之前进行，也可以在工件模型加载完模拟载荷之后进行。

在步骤S4中，根据上述加载的模拟载荷计算得出缸盖罩垫片工件模型3的静载接触压力以及动载接触压力，这一计算过程可以在有限元仿真软件中进行，当计算得出静载接触压力和动载接触压力之后，评价缸盖罩垫片工件模型3是否满足密封要求；即，当静载接触压力和动载接触压力由有限元仿真软件计算出之后，可以通过对静载接触压力和动载接触压力的数值特征评价缸盖罩垫片工件模型3是否满足密封要求。

综上可知，本发明所提供的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，针对缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓依次进行建立工件模型和有限元网格划分，并对缸盖罩垫片工件模型3加载应力应变属性，而后进行装配并加载模拟工作载荷，最后计算得出静载接触压力以及动载接触压力并进行评价。采用上述密封检测方法，能够对缸盖罩垫片进行预先模拟分析，从而减小了样件的研发周期，降低了研发费用，并且通过模拟计算所得出的结果判断缸盖罩垫片的密封是否符合要求，降低了因密封不当所造成的风险。

针对上述步骤S2中进行有限元网格划分这一过程，本发明优选将缸盖工件模型1、缸盖罩盖工件模型2以及螺栓工件模型4划分为二阶四面体单元，并且对缸盖罩垫片工件模型3的加强筋划分为一阶六面体单元。针对缸盖罩垫片，其在工作过程中，缸盖罩垫片的加强筋主要起到密封作用；为了简化针对缸盖罩垫片的密封检测方法，本发明可以仅仅针对缸盖罩垫片工件模型3的加强筋进行有限元网格划分，并且将缸盖罩垫片工件模型3的加强筋划分为一阶六面体单元；除此之外，将缸盖工件模型1、缸盖罩盖工件模型2以及螺栓工件模型4划分为二阶四面体单元；这样便能够合理地对缸盖工件模型1、缸盖罩盖工件模型2、螺栓工件模型4以及缸盖罩垫片工件模型3进行有限元网格划分，有效提高仿真结果的真实性，得到更为准确地数据，为缸盖罩垫片的密封检测提供了可靠的基础。

基于上述可知，缸盖罩垫片的加强筋主要起到密封作用，因此在进行步骤S2中的对缸盖罩垫片工件模型3进行应力应变属性的加载时，可以仅仅针对缸盖罩垫片工件模型3加强筋加载应力应变属性；即，将应力应变属性加载至缸盖罩垫片工件模型3的加强筋上；说明书附图6为缸盖罩垫片工件模型的加强筋的结构示意图。

更为具体地，在上述步骤S3中，将已进行有限元网格划分后的全部工件模型以及加载应力应变属性后的缸盖罩垫片工件模型3进行装配并根据实际工况施加模拟载荷，对于施加模拟载荷这一过程可以具体进行如下操作：对螺栓工件模型4施加装配静载荷，还包括对缸盖工件模型1和缸盖罩盖工件模型2施加工作工况下的凸轮轴动载荷。

显而易见地，为了检测缸盖罩垫片在静载下的密封效果，仅仅需要对缸盖罩垫片工件模型3在装配条件下的静面压进行计算；由于在静载下，缸盖罩垫片仅仅受到缸盖与缸盖罩盖的接触应力，并在螺栓的作用下，使得缸盖与缸盖罩盖压紧，从而对缸盖罩垫片起到紧固作用，以实现缸盖罩垫片的密封作用。因此当评价缸盖罩垫片在静载下的密封效果时，可以对螺栓工件模型4施加装配静载荷，而通过装配静载荷即可得到缸盖罩垫片工件模型3在装配条件下的静面压，由此能够得出在装配条件下缸盖罩垫片的密封效果。当然，考虑到较为极端的情形，本发明可以对螺栓工件模型4施加最小的螺栓载荷力，这样一来，当缸盖工件模型1和缸盖罩盖工件模型2受到最小的螺栓载荷力时，检测缸盖罩垫片工件模型3的静面压，从而评价缸盖罩垫片工件模型3的密封是否可靠。

针对检测缸盖罩垫片在动载下的密封效果，本发明对缸盖工件模型1和缸盖罩盖工件模型2施加工作工况下的凸轮轴动载荷；即，在工作过程中，由于凸轮轴的转动，导致缸盖与缸盖罩盖之间发生相对运动，位于缸盖与缸盖罩盖之间的缸盖罩垫片由此会受到不同程度的挤压；本发明可以通过试验或者利用计算机进行仿真的方式得到工作工况下凸轮轴的动载荷，并且将该动载荷在有限元仿真软件中加载至缸盖工件模型1和缸盖罩盖工件模型2上，从而得到在发动机工作状态下缸盖罩垫片工件模型3的动载面压。针对工作工况下凸轮轴的动载荷，本文具体设置为对应发动机工作状态以及发火顺序对各缸凸轮轴所施加的工作载荷力。即，可以以各缸的等效凸轮角为横轴，产生的力为纵轴，得到如说明书附图4和图5所示的曲线，图4为各缸吸气凸轮的动载荷示意图，图5为各缸排气凸轮的动载荷示意图。可以将图4与图5动载荷曲线所承载的数据在有限元仿真软件中加载至缸盖工件模型1和缸盖罩盖工件模型2上，从而利用有限元仿真软件计算得到缸盖罩垫片工件模型3的动载面压。

综上可知，当对螺栓工件模型4施加装配静载荷后，可以利用有限元仿真软件计算得到缸盖罩垫片工件模型3在装配条件下的静面压，从而对缸盖罩垫片在静载条件下评价其密封性。与之类似地，当对缸盖工件模型1和缸盖罩盖工件模型2施加工作工况下的凸轮轴动载荷后，可以利用有限元仿真软件计算得到缸盖罩垫片工件模型3在发动机工作状态下的动面压，从而对缸盖罩垫片在动载条件下评价其密封性。

本文在评价缸盖罩垫片工件模型3的密封是否满足要求时，可以判断缸盖罩垫片工件模型3的动载接触压力以及静载接触压力是否大于0Mp；当静载接触压力以及动载接触压力均大于0Mp时，则缸盖罩垫片工件模型3满足密封要求。简单来说，无论在静载条件还是动载条件下，缸盖罩垫片工件模型3的接触压力均大于0Mp，即缸盖罩垫片工件模型3能够始终受到缸盖工件模型1和缸盖罩盖工件模型2的挤压，从而实现缸盖罩垫片工件模型3密封可靠的目的。

本文中的缸盖罩垫片工件模型3，可以为直列四缸发动机、直列六缸发动机或者是V形六缸发动机的缸盖罩垫片工件模型；当然，缸盖罩垫片工件模型3还可以为其他型号的发动机的缸盖罩垫片工件模型；也就是说，无论缸盖罩垫片工件模型3具体为哪种型号的发动机的缸盖罩垫片工件模型，均能够采用本发明所述的密封检测方法进行检测。

以上对本发明所提供的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，其特征在于，包括步骤：

S1、针对缸盖、缸盖罩盖、缸盖罩垫片和螺栓分别建立缸盖工件模型(1)、缸盖罩盖工件模型(2)、缸盖罩垫片工件模型(3)以及螺栓工件模型(4)；

S2、对全部所述工件模型进行有限元网格划分，并对所述缸盖罩垫片工件模型(2)进行应力应变属性的加载；

S3、将上述有限元网格划分后的全部所述工件模型以及加载应力应变属性后的所述缸盖罩垫片工件模型(3)进行装配并根据实际工况施加模拟载荷；

S4、根据所述模拟载荷计算得出所述缸盖罩垫片工件模型(3)的静载接触压力以及动载接触压力，并依据所述静载接触压力和所述动载接触压力评价所述缸盖罩垫片工件模型(3)是否满足密封要求。

2.根据权利要求1所述的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对全部所述工件模型进行有限元网格划分的方式包括：

对所述缸盖工件模型(1)、所述缸盖罩盖工件模型(2)以及所述螺栓工件模型(4)划分为二阶四面体单元，对所述缸盖罩垫片工件模型(3)的加强筋划分为一阶六面体单元。

3.根据权利要求2所述的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对所述缸盖罩垫片工件模型(3)进行应力应变属性的加载的方式具体为：

将应力应变属性加载至所述缸盖罩垫片工件模型(3)的加强筋上。

4.根据权利要求3所述的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对根据实际工况施加模拟载荷的方式包括：

对所述螺栓工件模型(4)施加装配静载荷，还包括对所述缸盖工件模型(1)和所述缸盖罩盖工件模型(2)施加工作工况下的凸轮轴动载荷。

5.根据权利要求4所述的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对所述螺栓工件模型(4)施加装配静载荷具体为：

对所述螺栓工件模型(4)施加最小的螺栓载荷力。

6.根据权利要求5所述的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述工作工况下的凸轮轴动载荷具体为：

对应发动机工作状态以及发火顺序对各缸凸轮轴所施加的工作载荷力。

7.根据权利要求3至6任意一项所述的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，根据所述模拟载荷计算得出所述缸盖罩垫片工件模型(3)的静载接触压力以及动载接触压力的方式包括：

根据所述装配静载荷计算得出所述缸盖罩垫片工件模型(3)的静载接触压力，以及根据所述工作工况下的凸轮轴动载荷计算得出所述缸盖罩垫片工件模型(3)的动载接触压力。

8.根据权利要求7所述的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，其特征在于，依据所述静载接触压力和所述动载接触压力评价所述缸盖罩垫片工件模型(3)是否满足密封要求的方式包括：

当所述静载接触压力和所述动载接触压力均大于0Mp时，则所述缸盖罩垫片工件模型(3)满足密封要求。

9.根据权利要求8所述的基于有限元分析的缸盖罩垫片密封检测方法，其特征在于，所述缸盖罩垫片工件模型(3)具体为直列四缸发动机、直列六缸发动机或者是V形六缸发动机的缸盖罩垫片工件模型。