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    摘要:

    本文利用达索系统SIMULIA Abaqus软件对发动机缸体疲劳试验工况进行有限元模拟仿真。通过对试验结果与有限元计算结果的差异对比和原因分析,对有限元分析条件进行修正,从而发现缸口位置开裂的真正原因,给出相应改进方案,并得到了试验验证。

    关键词:Abaqus 有限元 高周疲劳强度 缸体疲劳试验

    1、前言

    发动机作为汽车的“心脏”,为汽车的行走提供动力, 对汽车的动力性、经济性、环保性起着至关重要的作用。发动机缸体不仅仅是发动机的骨架与外壳,同时是发动机各大部件工作中必不可少的一部分。缸体的作用是支承和保证活塞、连杆、曲轴等运动部件工作时的准确位置,保证发动机的换气、冷却和润滑,提供各种辅助系统、部件及发动机的安装。

    近年来,采用有限元软件计算评估发动机缸体强度,已经成为各大发动机设计单位在设计阶段的主要手段。通过有限元分析明确缸体的危险位置,有针对性的改进设计,避免重复性试验验证,可以大幅度缩短设计周期,节约时间成本、人力成本、资源成本等。

    在众多有限元软件中,Abaqus以丰富的单元种类、全面的材料模型、大量的接触与连接类型、强大的非线性求解能力和较强的上下游分析软件兼容性等优点被越来越多的CAE工程师采用。在进行发动机疲劳耐久仿真分析时,Abaqus能够提供丰富的单元类型,来准确模拟缸垫、油膜等高度非线性受载情况,同时也提供了温度相关的材料本构模型。

    本文以某型发动机为例,采用Abaqus/Standard对缸体疲劳试验工况进行模拟,快速解决试验中产生的缸口位置异常开裂问题。

    2、缸体疲劳试验简介

    缸体疲劳试验是通过向发动机燃烧室注入的液压油压力模拟发动机爆发压力,液压油压力同时作用于缸体(缸套)、工艺缸盖、工艺活塞上,并通过工艺连杆、曲轴传递给主轴承壁和主轴承盖,如图1。

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    图1.缸体疲劳试验加载方式示意图

    某型发动机在进行缸体疲劳试验时,发生缸口开裂现象,采用Abaqus软件,选取缸体疲劳试验的典型工况进行有限元分析,查找问题真因,并提出改进建议。

    3、有限元模型建立与边界条件确定

    3.1 有限元模型

    模拟缸体疲劳试验的有限元模型主要包括缸体、工艺缸盖、工艺活塞连杆组件、工艺曲轴、主轴承盖、连接件(螺栓),如图2。

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    图2. 模拟缸体疲劳试验的有限元模型

    模型主要采用二阶四面体单元与一阶六面体单元建立,由于主要考察缸口位置,所以缸口位置网格需要细化,需要选取尺寸较小,形状规则的单元,以保证求解精度。有限元模型的单元类型选取与规模见表1所示。

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    表 1. 各零部件单元类型与节点数量

    3.2 材料非线性

    材料非线性是指材料具有非线性的应力应变关系。Abaqus软件支持用户使用*PLASTIC选项定义金属材料的塑性性能。*PLASTIC选项中的数据将材料的真实屈服应力定义为真实塑性应变的函数。同时Abaqus支持在各材料参数中使用温度相关的数据,例如:弹性模量、泊松比、应力应变曲线等。为了更准确的获得应力计算结果,在分析时缸体材料采用弹塑性数据,即试验获得的应力应变曲线。

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    图3. Abaqus界面定义金属材料塑性数据

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    图4. 某金属材料应力应变曲线

    3.3 装配关系的建立

    为了体现模型的装配关系与零部件间的相互作用,Abaqus支持用户定义零部件间的接触行为、绑定约束、捆绑等。其中接触对的定义按照接触面之间滑移量的大小分为有限滑移与小滑移。发动机缸体疲劳试验模拟分析模型规模较大,各零部件间的相互作用关系比较复杂。为了保证模型的收敛性与求解速度,相互作用的定义按照以下几点执行。

    1. 采用小滑移接触定义接触面滑移量较小的接触行为;

    2. 采用有限滑移接触定义接触面滑移量较大,或可以有任意的相对滑动的接触行为;

    3. 采用绑定约束定义对整体模型尤其是关注位置影响不大,或者在整个分析过程中始终保持紧密接触关系的接触行为。

    3.4 边界条件建立

    按照真实试验工况,缸体底部与模拟地板接触,约束模拟地板底平面节点和夹具固定位置节点所有自由度。发动机燃烧室内表面(液压油作用位置)施加压强(与试验油压相同)。同时按照理想情况作如下假定:

    1. 活塞与缸筒内壁接触,无较大侧向载荷;

    2. 连杆大头与曲轴之间,曲轴与主轴承壁之间,无相对转动;

    3. 主轴承壁不受侧向载荷。

    4、有限元分析结果

    利用Abaqus软件计算缸体燃烧室内高压油压力最大时结构上的Mises应力。计算结果表明缸口开裂位置的Mises应力较小,在70MPa以下,如图5所示。

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    图5. Mises应力计算结果

    根据计算结果可知,缸口位置Mises应力远远小于材料的抗拉强度极限,且低于材料的疲劳强度极限。故缸口位置不应该发生开裂破坏,有限元计算结果与试验结果不一致。

    5、有限元模拟边界条件修正

    重新查验试验装夹情况,发现工艺活塞存在装配间隙过大、加工精度不够等情况,导致工艺活塞受扭矩作用。因此,模拟仿真的边界条件需要修正,缸体内壁承受侧向力,如图6所示。

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    图6. 有限元模型载荷施加示意图

    Abaqus计算的Mises应力结果如图7所示。缸口开裂位置Mises应力超过300MPa,高于材料的抗拉强度极限。有限元结算结果与缸体疲劳试验结果趋势完全一致。

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    图7. 修正载荷后应力与变形计算结果

    6、结论

    缸体疲劳试验的装夹工艺严格控制后,经过多轮试验验证,未发生缸口位置异常开裂现象。

    利用Abaqus软件进行发动机缸体疲劳试验模拟分析,有效的解决发动机缸体缸口位置异常开裂的试验问题。Abaqus软件强大的非线性求解能力,能够精确地模拟发动机结构的真实受力状态,有效的指导实际生产、试验中出现的结构强度问题。

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    12月21日,从上海电气获悉,上海电气自主研发的燃料电池发动机在国家机动车产品质量检验中心(上海)通过强检测试,同时,装载该燃料电池发动机的冷链物流车在上海完成整车调试。这标志着上海电气所研发的新一代燃料电池发动机系统试运行成功,具备了商业装车条件。

    据悉,上海电气本次在7.5吨冷链物流车上进行了燃料电池发动机整车试运行。该燃料电池发动机额定功率66KW,采用的是上海电气自主研发的氢气循环系统,具备动力强、长续航的特点,拥有替代商用车汽油、柴油发动机的能力。

    近年来,国内外市场大力推广氢能的能源化利用,2019年,全球燃料汽车总销量较2018年增长近92%,我国总销量较2018年增长超过79%。而按照《节能与新能源汽车技术路线图2.0》规划,到2025年,我国计划燃料电池汽车规模达到10万辆,年复合增长率超过50%,以燃料电池为代表的商用车是氢能应用的突破口和未来主要的市场增长方向。

    在业内人士看来,上海电气自主研发燃料电池发动机系统试运行成功,使得上海电气有望通过技术输出,或将以自主研发的燃料电池发动机为载体,切入物流车、卡车、冷链车等交通运输领域,分享燃料电池商用车快速增长的红利。

    此外,上海电气还在持续开发100KW以上功率等级的燃料电池电堆及系统,未来有望在轨道交通、火车、飞机、储能和发电等更多领域应用。

    免责声明:以上内容转载自上海证券报,所发内容不代表本号立场。

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    提起自动启停和自动驻车很多老司机可能也傻傻分不清,到底应该怎么用?到底他们的区别在哪里?到底有什么优缺点?来一篇文章带你解读。

    自动驻车:AUTO HOLD 简而言之就是不需要踩刹车,让车自动停着。AUTO HOLD 指示灯亮表示该功能启用,Auto hold 指示灯熄灭表示该功能关闭;

    使用条件:发动机开启,车门关闭;

    使用场景:1.等红绿灯时,如果AUTO hold 功能已经开启,当车速已经降为0,松开刹车车不会前进或后退,踩下油门车直接会出发;

    2.坡道起步,脚刹切换到油门的时候,不会溜车;

    缺点:新手开车时,如果打开了AUTO HOLD ,踩下刹车车停了,倒挡踩油门比较危险

    原理:自动驻车这个功能是由电子驻车稳定系统开发而来的,在这个过程中,ECU电脑会通过安装在车上的传感器来得到车身的水平度和车轮的扭矩,从而判断是否需要采取制动防止溜车,而对车轮施加的制动力也不是很大,刚好可以阻止车辆移动,以便再次踩油门前行时,不会有太严重的前窜动作。

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    autohold按键

    自动启停:作用是自动关闭发动机,起到省油减碳的作用。默认自动启停是开的、

    使用条件:发动机启动,车门关闭

    使用场景:1.在踩刹车车辆停止时,发动机就会自动熄火,松开刹车,发动机就自动启动

    2.长时间堵车时,开启自动启停会减低油耗;

    3.对电池寿命有一定影响;(一般国产车中只有BSG的车有此功能、BMW等高端车在传统油车有这些功能)缺点:在发动机自动启动时,会有顿挫感而且启动时发动机声音大,而且对电池有一定的损害,省油不足,麻烦有余

    缺点:在发动机自动启动时,会有顿挫感而且启动时发动机声音大,而且对电池有一定的损害,省油不足,麻烦有余

    自动启停时,不会影响启停正常的功能,例如空调、多媒体等,所以对车的要求相对来说比较高。

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  • 汽车驾驶教程图解

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  • spark--shuffle

    2018-09-25 10:24:59
    但是,我想大家应该都喜欢兰博基尼不喜欢拖拉机吧,尤其是男生,好车发动机的轰鸣声,听都会热血沸腾吧!那么,spark研发在出期时候因为当时条件的限制,数据量不会那么大,已有硬件处...

    在之前的博客里,我对于hadoop和spark的相关基础进行了一定的讲解,大致的运行流程已经基本清晰,就像一辆极品的跑车,大致的框架已经出来了,剩下的是优化的操作,就像兰博基尼和拖拉机的区别,都是4个轮子发动机驱动,但是,我想大家应该都喜欢兰博基尼不喜欢拖拉机吧,尤其是男生,好车发动机的轰鸣声,听着都会热血沸腾吧!那么,spark的研发在出期的时候因为当时条件的限制,数据量不会那么大,已有的硬件处理水平完全能够满足,但是,随着时代的发展,就有人发现,现有的车的配置已经完全不能满足自己对于速度的追求,太慢了,可是,硬件的水平完全不能够满足数据的增长速度,这该怎么办呢?计算机界的各路大神汇集,商量了一下说:这样不大行啊,妖魔鬼怪太多了,消除不过来怎么办,没法短时间内提升咱的人数,没办法,只能提升我们自己的能力了,在自己身上下手,于是,这群大神在spark的配置上进行了一系列的优化,比如RDD的shuffle过程进行调优、将数据进行持久化处理并提出了多种不同的持久化级别、在资源以及任务调度方面进行相应的改善,

    今天主要说的是shuffle的操作:大家都知道,hadoop中在进行mapreduce的时候会进行一个重新洗牌的过程也就是shuffle,其中包括hashshuffle和sortshuffle两种不同的shuffle形式,

    首先来说hashshuffle,maptask将计算结果由分区起的策略决定分别存储到哪一个buffer内存中,然后将文件写入到磁盘中,提高与磁盘之间小文件的读写速率,,然后reducetask去磁盘中将数据拉取到reduce memory中进行存储,然后进行相应的计算,但是产生的问题就是当磁盘小文件过多的是时候会产生大量 的磁盘io和网络传输,造成shuffle过程是很浪费时间的,而且非常容易产生OOM,影响application的执行速度,那么hashshuffle是怎么解决的呢?大神们想到一个办法,当maptask将数据写到buffer之后其他maptask会复用内存中的数据,减少了磁盘小文件,相应产生的问题也就得到了减弱或处理

    其次就是shuffle中的sortshuffle,maptask会将数据结果写入到内存(默认5M,当写满之后会自动申请内存,若系统内存不足就会产生溢写,但是会产生大量的磁盘小文件)中,至于是map或者array是根据每一个业务自身的不同进行决定的,然后在数据写入到内存之后,会自动的对数据进行一个排序,然后传入到内存缓冲区中,当maptask计算完毕以后,会将所有的磁盘小文件进行合并,合并成一个大的磁盘文件和一个索引文件(引导我们读懂磁盘中的文件,就像是书本的目录一样,可以清晰地了解一本书的每一个部分),然后task去磁盘中读取文件进行处理,但是在拉取数据之前会先解析索引文件,然后再拉取数据进行处理。大家可能也发现了,在这两种不同的shuffle过程中,有一个很大的不同就是sortshuffle中会对磁盘小文件进行一个排序,那这个排序是必要的吗?肯定不是的,比如在wordcount中,是没有必要进行这种操作的,浪费时间,所以,sortshuffle有一个bypass机制,会将数据直接写到内存中,那这个机制是怎么开启的呢?虽然是自动的,但是他也是有一个临界值的,在官方网站的定义里有这样一个配置信息:spark.shuffle.sort.bypassMergeThreshold,默认值200,当我们的maptask的值小于我们设定的值得时候就可以自动启动bypass机制

    这就是shuffle的两种不同的运行机制以及他的优化,其实简单点来说,他就是通过一些方法减少磁盘小文件,相当于减少了网络和磁盘IO,节约了时间和效率,也就提高了spark的性能,就相当于我们的超级跑车追求起步和加速一样,省掉多余的步骤,直接一键启动,百公里加速就要几秒钟,就完整的能够体现出来汽车的高效性。

    就像各大汽车生产商之间的竞争一样,每一个都想要自己的跑车能够跑出来最好的状态和速度,所以,只是单纯的修改几个参数是不够的,而剩下的也就是后面要说的性能/资源调优以及持久化,这两种方法都对spark的运行起到了很大的优化作用。

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