某小型发电机组用发动机的缸头强度计算

1、分析目的

      便携小型发电组被广泛用于矿山、工厂、医院等部门的备用电源，一般以柴油机或汽油机为原动力带动发电机进行发电，所以发动机工作的可靠性对发电机组十分关键，特别发动机缸头的设计，因为其受力工况较复杂，所以设计时必须对其进行可靠性校核。本案例基于SimSolid软件对某6kW发电机组的发动机缸头在不考虑其温度场的情况下进行结构分析，初步校核其静强度。

2、建模说明

2.1 零部件与材料

       虽然只分析缸头的强度，但为了考虑螺栓预紧力的影响，模型中除了使用了缸头外，还包括四个安装螺栓、缸垫和缸体，另外还有气门导管和气门座圈，3D数模如图1所示。

                                                                      图1 三维模型

      各个零件使用的材料不一样，各种材料的属性如表1所示。SimSolid中预定义了多种钢材、合金、塑料等材料，还可以手动添加新材料，且可以对新材料进行自由分组，如图2所示。

                                                     表1 各零件使用的材料

                                                                      图2 添加新材料

2.2 接触的定义

       SimSolid会在导入3D数模时提示用户是否自动创建相应的接触，用户可依据数模调整间隙量和穿透量，然后软件会自动创建相应的接触。创建后可检查每个接触是否正确定义，有误时可对其进行修改。

                                                                             图3 创建接触

2.3 载荷与约束的定义

       对于缸头，其载荷主要包括螺栓预紧力、缸内燃气压力以及缸内高温燃气引起的热应力，发动机工作时这些载荷是同时作用的，但由于SimSolid暂不能对壁面设置具有空间分布的换热边界（此功能希望今后能被SimSolid考虑），所以分析只考虑了预紧力和燃气压力。预紧力大小为48N.m，燃气压力为4.1MPa，分别如图4所示。

                                                                            图4 定义载荷与约束

3、计算结果分析

       SimSolid软件因为无需划分有限元网格，所以比传统CAE软件的求解速度快很多，且使用普通电脑即可计算，本模型提交计算后几分钟之内即求解完成。分析完成后查看缸头的应力分布和变形分别如图5和图6所示，可以看出最大应力出现在红圈位置，最大应力值为184MPa，小于材料的屈服极限，故结构强度满足要求。但如果考虑热应力的影响，可能会存在一定的失效风险，需要进一步分析。

                                                                        图5 缸头的应力云图

                                                                                图6 缸头的变形

4、总结

（1）、SimSolid软件是一款比较有开创性的结构分析软件，相对于ABAQUS等分析软件，其最大优势即在于无需划分网格，从而大大减少了建模时间，使得未曾深入学习有限元分析理论的设计工程师也能快速掌握使用。在本例的整个建模中，添加材料、定义载荷等操作都十分方便，特别是接触的自动创建令人十分惊喜。

（2）、由于该软件刚面世不久，其功能还有待进一步增强，比如表面的选择上可增加更多选择方式、增加壁面的映射功能、增加铸造残余应力的载荷等等。但相信在Altair公司的带领下，SimSolid的功能将会越来越完善，也会有越来越多的工程师选择使用。