CN108563869A - 缸垫的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缸垫的设计方法，包括：（a）根据缸垫几何建立缸垫有限元模型；（b）建立刚性体的缸盖与缸体；（c）建立“刚性缸盖‑缸垫上表面”和“刚性缸体‑缸垫下表面”接触对；（d）约束刚性缸体所有自由度，约束刚性缸盖的X、Y向的平动与所有转动自由度，根据缸垫几何结构确定刚性缸盖Z向平动值；（e）提交有限元计算；（f）从计算结果中读取各筋型的面压值和密封作用力。本发明能够大大缩短缸垫的设计所需时间。

Description

缸垫的设计方法

技术领域

本发明属于正向设计密封垫的方法，具体涉及一种缸垫的设计方法。

背景技术

现有缸垫的设计方法是根据缸体、缸盖结构进行密封筋型的布置设计，然后根据经验以及密封介质设计各种筋型的缸垫（如图1所示，其中，A为油道密封HS4040，B为螺栓孔密封HS4020，C为油道密封HS4050，D为气体密封VS4040,E为水套密封HS5040,F为油道密封HS3050，G为油道密封HS4050），密封气体的筋型一般用全筋结构，其它采用半筋结构，但每种筋型的筋高、筋宽均根据经验进行设计。然后根据全部柔性体的有限元模型（包括缸盖、火花塞、气门导管、缸垫、缸体、缸套、螺栓和螺塞）进行仿真计算来预测密封垫是否满足要求。由于全柔性体结构仿真时间周期长，计算成本高。一般地，从建模到完成计算，需要45天时间。

因此，有必要开发一种新的缸垫的设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种缸垫的设计方法，能大大缩短缸垫的设计时间。

本发明所述的缸垫的设计方法，包括以下步骤：

（a）根据缸垫几何建立缸垫有限元模型；

（b）建立刚性体的缸盖与缸体；

（c）建立“刚性缸盖-缸垫上表面”和“刚性缸体-缸垫下表面”接触对；

（d）约束刚性缸体所有自由度，约束刚性缸盖的X、Y向的平动与所有转动自由度，根据缸垫几何结构确定刚性缸盖Z向平动值；

（e）提交有限元计算；

（f）从计算结果中读取各筋型的面压值。

进一步，所述步骤（b）具体为：

在有限元前处理软件中建立刚性体的缸盖与缸体，用一个面来表示，且面的大小为能覆盖缸垫有限元模型，待刚性面建好后，设置一个刚性面的参考点。

进一步，所述步骤（c）具体为：

在有限元前处理软件中先定义各接触对的接触面，它们分别是缸盖面、缸体面、缸垫上表面和缸垫下表面，然后定义“刚性缸盖-缸垫上表面”和“刚性缸体-缸垫下表面”接触对，其中，刚性缸盖与刚性缸体均为主面，缸垫上表面与缸垫下表面均为从面。

进一步，所述步骤（d）具体为：

在有限元前处理软件中约束刚性缸体所有自由度，约束刚性缸盖的X、Y向的平动与所有转动自由度，根据缸垫几何结构确定刚性缸盖Z向平动值。

进一步，所述步骤（f）具体为：

在有限元后处理软件中根据色标读取计算垫片各筋型的压强结果，将所读取的这些压强结果与对应的密封介质要求的密封压强进行比较，用于判断缸垫密封是否满足要求；

以及读取缸垫需要的密封作用力，即缸垫在不同的压缩高度下，密封作用力的大小。

本发明的有益效果：

本发明采用刚性面代替缸盖与缸体的刚性体模型，然后采用强迫位移法进行加载。加载后能够快速得到缸垫各筋型的面压分布。本发明从建模到完成计算时间仅需4小时，且后续的筋型优化时间只需要0.5小时即可完成一个方案。通过这种设计计算方法能够有效地找到优化方案。

附图说明

图1为缸垫示意图；

图2为刚性体模型示意图；

图3为本发明的逻辑示意图；

图4为缸垫有限元模型示意图；

图5为刚性缸盖及刚性缸体模型示意图；

图6为采用本发明与现有技术的密封安全系数对比图；

图7为缸垫在不同的压缩高度下的密封作用力的大小的示意图；

图中：1、缸盖，2、缸垫，3、缸体，4、参考点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明采用刚性面代替缸盖1与缸体3的刚性体模型，然后采用强迫位移法进行加载。加载后能够快速得到缸垫各筋型的面压分布。之所以可以用刚性面代替缸盖与缸体，是由于缸盖的刚度和缸体的刚度相对于缸垫非常大，而且缸盖和缸体分别与缸垫接触的平面变形量也较小的原因。

如图3所示，本发明所述的缸垫的设计方法，其包括以下步骤：

（a）根据缸垫几何模型建立缸垫有限元模型，其中，缸垫有限元模型参见图4；

首先定义坐标系：如图4所示，以缸垫的第一缸中心且在缸垫与缸体接触面内为坐标原点，以原点指向第二缸中心为X方向，沿缸孔中心向上为Z方向。可以用ProE/Solidedge/UG/Catia/Autocad等商用软件已建立的几何模型导入到有限元前处理软件中，有限元前处理软件包括Abaqus CAE/Patran/Hypermesh/ANSA等，也可以根据缸垫图纸在有限元前处理软件上进行建立几何模型后，进行网格划分。

（b）建立刚性体的缸盖与缸体；

在有限元前处理软件中建立刚性体的缸盖与缸体，由于刚性体没有变形，因此，可以用一个面来表示，面的大小以覆盖缸垫有限元模型为好，刚性面建好后，需要设置一个刚性面的参考点4，这个参考点4本质上在空间中的任意点即可，但为了方便，将参考点4设置在刚性面的中心，如图5所示。

（c）建立“刚性缸盖-缸垫上表面”和“刚性缸体-缸垫下表面”接触对；

在有限元前处理软件中先定义各接触对的接触面，它们分别是缸盖面、缸体面，缸垫上表面，缸垫下表面，如图2。然后，定义“刚性缸盖-缸垫上表面”和“刚性缸体-缸垫下表面”接触对，其中，刚性缸盖与刚性缸体均为主面，缸垫上表面与缸垫下表面均为从面。

（d）在有限元前处理软件中约束刚性缸体所有自由度（1-6自由度），约束刚性缸盖的X、Y向的平动与所有转动自由度（4-6自由度），根据缸垫几何结构确定刚性缸盖Z向平动值（即采用强迫位移法进行加载）。

（e）提交有限元计算；

可以在有限元前处理软件（若有求解器）中直接提交有限元计算，也可以在有限元前处理软件中输出脚本文件，然后用有限元求解器提交计算。

（f）从计算结果中读取各筋型的面压值和密封作用力。

在有限元后处理软件（Abaqus View/Patran/Hyperview/ensight等）中根据色标读取计算垫片各筋型的压强结果（S11），参见图6。这些压强结果与对应的密封介质要求的密封压强进行比较，就能判断缸垫密封是否满足要求。

从计算结果中还可以读取缸垫需要的密封作用力。图7表示缸垫在不同的压缩高度下，密封作用力的大小，如图7所示，缸垫在0.44mm的压缩高度下，密封作用力的大小为161KN。

Claims (5)

1.一种缸垫的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）根据缸垫几何建立缸垫有限元模型；

（b）建立刚性体的缸盖与缸体；

（c）建立“刚性缸盖-缸垫上表面”和“刚性缸体-缸垫下表面”接触对；

（d）约束刚性缸体所有自由度，约束刚性缸盖的X、Y向的平动与所有转动自由度，根据缸垫几何结构确定刚性缸盖Z向平动值；

（e）提交有限元计算；

（f）从计算结果中读取各筋型的面压值和密封作用力。

2.根据权利要求1所述的缸垫的设计方法，其特征在于：所述步骤（b）具体为：

在有限元前处理软件中建立刚性体的缸盖与缸体，用一个面来表示，且面的大小为能覆盖缸垫有限元模型，待刚性面建好后，设置一个刚性面的参考点（9）。

3.根据权利要求2所述的缸垫的设计方法，其特征在于：所述步骤（c）具体为：

在有限元前处理软件中先定义各接触对的接触面，它们分别是缸盖面、缸体面、缸垫上表面和缸垫下表面，然后定义“刚性缸盖-缸垫上表面”和“刚性缸体-缸垫下表面”接触对，其中，刚性缸盖与刚性缸体均为主面，缸垫上表面与缸垫下表面均为从面。

4.根据权利要求3所述的缸垫的设计方法，其特征在于：所述步骤（d）具体为：

在有限元前处理软件中约束刚性缸体所有自由度，约束刚性缸盖的X、Y向的平动与所有转动自由度，根据缸垫几何结构确定刚性缸盖Z向平动值。

5.根据权利要求4所述的缸垫的设计方法，其特征在于：所述步骤（f）具体为：

在有限元后处理软件中根据色标读取计算垫片各筋型的压强结果，将所读取的这些压强结果与对应的密封介质要求的密封压强进行比较，用于判断缸垫密封是否满足要求；

以及读取缸垫需要的密封作用力，即缸垫在不同的压缩高度下，密封作用力的大小。