论文--Abaqus在法兰面密封分析中的应用

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1、Abaqus在法兰面密封分析中的应用摘要:本文以某发动机前罩壳密封问题为例，利用大型有限元分析软件Abaqus，建立有限元分析模型，验证了前罩壳密封失效原因，校核了优化方案的密封性能，为该密封问题提供了理论依据，最终使问题得到了解决。关键词:密封胶，有限元分析，前罩壳，法兰面，发动机1.简介发动机有大量结合部位需要保证良好的密封才能保证发动机安全有效地运行，而发动机的“三漏”问题(漏气、漏水、漏油)，不但会影响到发动机的动力性和经济性，也影响其外形的清洁和美观(贺吉范，2000)。因此发动机各密封材料的密封性能和可靠的连接方法是减少甚至消除这类问题的关键，对密封件的研究已经成为目前发动机

2、设计中的一个重要组成部分。在发动机众多需要密封的结合部位中，法兰面密封形式占了很大比重，其常用密封材料为平面密封胶，一般分为硅橡胶和厌氧胶两大类。本文以某发动机前罩壳密封问题为例，利用大型有限元分析软件Abaqus，建立有限元分析模型，验证了前罩壳密封失效原因，校核了优化方案的密封性能，为该密封问题提供了理论依据，最终使问题得到了解决。2.密封失效原因分析2.1背景描述某款汽车在道路试验和售后中出现多起发动机前罩壳轻微渗油现象，渗油部位均为缸体、缸盖与前罩壳三者的T型结合处，见图1红圈内。针对此现象，对该发动机前罩壳进行了有限元分析，查找密封失效的原因。图1.某发动机前罩壳渗油.2.2有

3、限元模型本次分析的有限元模型如图2所示。主要包含了缸体(上下曲轴箱体)、缸盖、前罩壳、前罩壳悬置等零部件。前罩壳密封采用硅橡胶，在前罩壳安装完成后形成的密封胶层厚度为微米级别，且刚度相对于两侧安装法兰面极小，因此在有限元模型中对密封胶不单独建模，通过考察两侧法兰面的接触分析结果来评估前罩壳密封性能。为减小分析模型规模，仅截取发动机第一、二缸进行分析。除各安装螺栓采用C3D8I单元划分，其余各零部件均采用C3D10M单元划分。关注的密封法兰面处网格大小为2-4mm，其余部位网格大小为4-6mm。图2.有限元模型.1.1材料参数本次分析中使用的材料参数见表1。表1.材料参数表.部件材料弹性模

4、量(GPa)泊松比(ν)密度(g/cm3)缸盖、缸体AlSi9Cu3730.312.75螺栓Steel2100.3-缸套GG251120.257.2镶块QT4001750.37.85前罩壳ADC12700.272.7发动机右悬置QT6001670.2757.21.2分析工况前罩壳密封性能与螺栓预紧力相关，同时整车在颠簸路面行驶时会有较大载荷通过悬置支架传递给发动机，因此还需要考虑发动机上跳、下跳工况。分析工况一：螺栓预紧工况，包含最小和最大螺栓预紧力两种情况；分析工况二：发动机上跳工况，通过其他仿真计算得到前罩壳悬置受力情况，施加在本次分析模型中；分析工况三：发动机下跳工况，施加方式同分

5、析工况二。1.3分析结果与评估前罩壳密封性能从密封法兰面预紧工况张开量、间隙变化量以及错位量三方面进行评估。预紧工况张开量和间隙变化量分别为预紧工况和工作工况下，由于前罩壳变形等导致法兰面相对间隙变化情况(即法兰面法线方向的相对变化对密封胶性能的影响)。在法兰面间隙变化量较小的情况下，硅橡胶可以弥补该间隙变化，保证法兰面之间胶层不会被破坏(康一坡，2010)。错位量为工作工况下，由于前罩壳变形等导致法兰面相对错动情况(即法兰面切线方向的相对变化对密封胶性能的影响)。法兰面错位量较大时胶层可能被撕裂，影响密封性能(康一坡，2010)。分析结果见图3，可以看到在前罩壳T型结合处最大间隙变化量

6、约为36μm，密封胶层会发生破坏，极易出现渗油现象。该区域与前述发动机前罩壳渗油部位对应，判断前罩壳T型结合处设计不合理是渗油的主要原因。图3.分析结果汇总图.1.优化方案分析1.1优化方案的提出在法兰密封设计中，螺栓的位置和数量要使得密封面上的压力分布尽量均匀，两螺栓间的压力作用连线应尽量与法兰面上的密封胶线重合(张彧贤，2007)。同时通过对标其他发动机型，结合实际结构布置与生产工艺要求，提出了相应的优化方案，见图4，在红圈处(即前罩壳T型结合区域两侧)增加两颗安装螺栓。图4.优化方案示意图.1.2优化方案的分析与评估针对优化方案同样进行了有限元分析，分析方法不变。优化方案的分析结果

7、见图5。图5.优化方案分析结果汇总图.从优化方案的分析结果可以看到，前罩壳T型结合处间隙变化量已经满足要求，但在T型结合处下侧最大间隙变化量约为18μm，该数据仍略偏大。由于螺栓布置及法兰结构已无法进行更改，不对其进一步结构优化。通过在装配工位上增加涂胶量、增加加湿器加快密封胶固化等工艺措施，保证前罩壳密封性能。优化方案在该发动机改款上全面实施，未出现前罩壳渗油现象。1.总结在本案例中，使用Abaqus软件对法兰面密封进行了有限元分