1. 引言

当前，国内外的汽车市场竞争日益加剧，在保证性能出色的同时，如何实现产品的减重优化和加快投放速度是各大厂商面临的一大挑战。CAE是试验验证之外的另一重要工具，在汽车开发的各个阶段扮演了非常重要的角色，特别是在前期就可以很好的起到风险评估和设计保障的作用。

 

缸体总成构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内外安装着发动机的所有主要零件和附件系统，承受各种载荷，缸体总成必须有足够的强度和可靠性。

 

本文将针对某款新开发发动机的压痕定位式主轴承盖，展示基于Abaqus对主轴承盖压装过程进行仿真分析，将DFSS和FEA相结合，实施快速准确的迭代优化，并最终在后续耐久试验中验证新设计的可靠性。

 

2. 压装过程模拟

2.1 模型及设定

传统设计中，主轴承盖和缸体采用止口定位（一种过盈配合方式），在发动机轻量化、高输出的背景下，轴承挡的疲劳安全系数普遍偏低。为解决该问题，新设计在轴承盖孔口周围设计了凸起结构，该结构通过螺栓提供的预紧力压入缸体，轴承盖材料硬度大于缸体，可以使得缸体材料屈服，产生“压痕”，该“压痕”可用于重复装配的定位；同时由于止口接触面不用加工，省掉了一笔机加工费用。公司新开发的发动机采用了这种新型结构的主轴承盖，但在压装过程中产生了裂纹，需要对此进行仿真计算，探索失效原因，并进行设计优化。

 

 

图 1 新设计的压痕式主轴承盖

 

如下图所示，建立压装的计算模型，主轴承盖凸起与机体的接触部分细化网格，各截面上的节点设定对称约束，沿着压装方向施加压力。

 

 

图 2 压装计算模型

 

2.2 计算结果

采用Abaqus Explicit模块，模拟动态压装过程，结果如图3所示，从压装过程主轴承盖的应力分布云图可以看出，部分区域应力超标，而且该区域与实际零件的开裂位置一致，证明了仿真计算的可靠性。

 

 

图 3 原始设计的计算结果

 

 

图 4 零件失效图片

 

3. 结合 DFSS 实施设计优化

3.1 明确优化因子

与压痕相关的共有下图5所示的10个参数，普通的优化方法不能考虑到参数相互之间的关联性，因此考虑运用DFSS方法进行设计优化。从变形动画和计算结果可以得到其中5个关键因子：缸体轴承孔直径、凸台与缸体配合直径、凸台角度、凸台高度以及凸台弧长。主轴承盖开裂与压装时产生的应力紧密相关，因此以应力为响应，设计部分因子实验。

 

 

图 5 设计优化的参数

 

3.2 部分因子实验

首轮实验中，实验矩阵非正交，不过用田口分析响应均值，可得到因子影响从大到小为D3，D5，D10，D8（与工程经验相符），下一步考虑直接给D8赋值，不纳入因子实验。

 

 

图 6 因子影响大小排序

 

 

图 7 等高线图分析

 

3.3 优化结果

结合第一轮因子实验的分析结果，在第二轮实验中调整因子水平、收紧各因子的赋值范围，如凸台与缸体配合直径定义为14mm-15mm，通过拟合模型得到图8所示的最优解。

 

 

图 8 各因子的最优解

 

考虑到零件的实际加工要求，对最优解进行了取整处理，得到各因子的实际解，重新建立优化后的模型并仿真计算，最终模型预测实际解的范围为353-406，CAE计算结果为374，两者一致。

 

 

图 9 设计优化后的主轴承盖应力云图

 

3.4 新设计验证

针对最优解方案，建立缸体总成分析模型，校核新设计的可靠性。如图10所示，缸体总成的安全系数达标，特别是缸体曲轴档圆弧处最小安全系数，满足guideline要求；高于采用止口定位方案的缸体曲轴档圆弧处的安全系数。新方案装机后，顺利通过了后续一系列的耐久试验，证明了优化设计的有效性。

 

 

图 10 设计优化后的机体高周疲劳结果

 

 

图 11 新设计方案通过耐久试验

 

4. 结论

对于工程开发来说，DFSS可以让设计者采用系统化技术方法，设计出满足质量要求的产品，它在工业制造领域的质量部门和设计部门得到了大范围运用。DFSS分为确认、设计、优化、验证4各阶段，对设计部门来说，最具使用价值的是其中第三阶段的优化方法和理论，其实验设计和稳健性设计的理念和方法对设计研发工作具有重要的实践意义。

 

通过对某款车用发动机主轴承盖压装问题的分析，本文将FEA和DFSS知识有机结合应用，在设计开发初期对主轴承盖进行强度校核并为设计优化提供了有效指导，凸显了CAE可有效缩短开发周期的优势，充分体现了快速响应设计的理念。

 

资料来源：达索官方