船用柴油机气缸盖多场耦合仿真及参数敏感性分析
发布时间：2021-02-17 22:18
气缸盖作为柴油机的关重件,结构复杂,工作环境恶劣,其可靠性与整机的可靠性密切相关。本文以某中高速船用柴油机关键零部件开发设计为背景,为准确预测柴油机气缸盖设计的可靠性,开展了气缸盖的多场耦合仿真。针对船用柴油机强化指标提高导致气缸盖面临热负荷增大的问题,开展了气缸盖结构改进、不同因素对热负荷的影响规律及敏感性研究,为以后更有方向性地控制高强化气缸盖的热负荷提供参考,具有重要意义。主要研究内容如下:（1）基于气缸盖所涉及的多物理场理论,建立了柴油机热力学模型、冷却水CFD模型、温度场及结构场有限元模型。主要研究了气缸盖换热边界的确定、流场与温度场耦合分析、温度场与结构场耦合分析,采用了火力面分区与径向拟合曲线方程相结合加载热侧边界的方法,编写的宏文件实现了冷边界的自动映射。通过对建模及求解方法的研究,给出了气缸盖多物理场耦合仿真的技术途径。（2）为了实现增大缸盖火力面温度安全裕度的目标,从结构方面进行研究分析,采取气缸盖底板减薄的措施,结果表明气缸盖改进方案的热负荷相对原方案得到改善,气缸盖底板减薄2mm可使缸盖火力面温度值降低5-6℃。改进方案的疲劳安全系数最小为1.58,高于缸盖疲劳...
【文章来源】：中国舰船研究院北京市
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MTU12V4000柴油机
的可靠性是其最重要的指标之一，因此保证船用柴油机工作的可靠性是其所有技术创新的前提要求。目前世界上主要的先进柴油机研究机构，通常采取优化缸内燃烧、智能化控制、零部件模块化等技术手段，在提高船用柴油机强化指标的同时，又较好的提高了船用柴油机的可靠性与使用寿命，如德国的罗罗动力系统公司开发的船用MTU8000系列柴油机的大修期是原来956系列柴油机的两倍左右。目前来说，MTU4000系列以及MTU8000系列柴油机，代表着中高速船用柴油机未来的发展方向[3]；两代表机型如图1-1与图1-2所示。图1-1MTU12V4000柴油机图1-2MTU20V8000柴油机（2）气缸盖作为柴油机关键零部件之一，其工作状态直接影响着整机的使用寿命。气缸盖作为柴油机燃烧室的组成部分，与活塞、气缸套共同组成密闭的空间，为需要作功的高温高压燃气提供工作容积；这意味着其直接承受着缸内燃烧产生的高温高压载荷，工作条件十分恶劣[4]。对于四冲程、大功率中高速船用柴油机的气缸盖，由于强化指标高、热负荷大的特点，其结构十分紧凑与复杂。同时，由于柴油机缸内工作过程及气缸盖冷却与传热的复杂性，柴油机气缸盖的结构形式颇为繁多。一般可根据柴油机缸径大小和气缸之间的共用情况对气缸盖进行分类，主要有整体式、分体式、单体式，如图1-3。其冷却水套的结构也存在不同形式，包括一体式水腔、双层水腔、多层水腔等，冷却水的流动方式分为自下而上与自上而下式两种[5]，如图1-4。
船用柴油机气缸盖多场耦合仿真及参数敏感性分析2图1-3缸盖形式与缸径的对应关系图1-4左侧为自下而上式、右侧为自上而下随着柴油机强化指标的继续提高，柴油机受热零部件的热负荷也将不断增大；这就对柴油机气缸盖的承载能力提出了更高的要求，其可靠性也面临着越来越大的挑战。在柴油机工作过程中，气缸盖始终承受着多种交变的载荷力以及很高的热载，从而也使得气缸盖故障较为多发，比如：缸盖底面烧蚀、鼻梁区开裂、气道部位出现裂纹、阀座烧蚀、漏水或脱落等缸盖失效形式，如图1-5与图1-6；这些都严重影响着柴油机性能与可靠性。因此，从设计阶段预防气缸盖故障的产生是保证柴油机长寿命高可靠性的重要前提，在设计中利用数值仿真技术评估柴油机缸盖设计的合理性以及研究相关参数的影响规律对柴油机新机型的开发设计具有重要工程意义。图1-5鼻梁裂纹图1-6气道开裂因此，本文以某中高速船用柴油机关键零部件开发设计为背景，为准确预测船用柴油机气缸盖设计的可靠性，利用数值仿真技术对该船用柴油机气缸盖的温度尝应力场以及疲劳强度开展多场耦合仿真分析。针对船用柴油机强化指标提高导致气缸盖面临热
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于热固耦合的柴油机气缸盖有限元分析[J]. 龚金科,何伟,钟超,田应华. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]某柴油机缸盖强度计算[J]. 陈后涛,吴东兴,陈小方,李康宁,刘印. 计算机辅助工程. 2013(S2)
[3]柴油机气缸盖鼻梁区热机耦合疲劳分析[J]. 盖洪武,程颖,姚秀功. 计算机辅助工程. 2013(04)
[4]考虑两相流沸腾传热的气缸盖温度场仿真研究[J]. 何联格,左正兴,向建华. 内燃机工程. 2013(03)
[5]气缸盖冷却水腔内两相流动沸腾传热仿真研究[J]. 何联格,左正兴,向建华. 西安交通大学学报. 2013(01)
[6]基于流固耦合模型的柴油机冷却系统优化设计[J]. 谷芳,崔国起,吴华杰. 汽车工程. 2012(08)
[7]柴油机气缸盖传热规律研究[J]. 郭良平,张卫正,王长园,赵维茂. 北京理工大学学报. 2011(03)
[8]某柴油机气缸盖疲劳的可靠性预测[J]. 胡定云,陈泽忠,温世杰,周海涛. 车用发动机. 2008(S1)
[9]重型车用柴油机气缸盖内流动与传热研究[J]. 王兆文,黄荣华,成晓北,沈捷,钟玉伟. 汽车工程. 2008(04)
博士论文
[1]缸盖冷却水套内沸腾传热特性的研究[D]. 傅松.山东大学 2010
硕士论文
[1]柴油机气缸盖内流动换热研究及水腔结构改进[D]. 胥振龙.江苏大学 2018
[2]面向柴油机强化的缸盖冷却结构优化[D]. 王俊杰.浙江大学 2018
[3]变海拔条件下某柴油机缸盖热状态的变化规律研究[D]. 甘庆良.浙江大学 2018
[4]某柴油机冷却系统及缸盖换热的CFD分析[D]. 周雪凯.大连理工大学 2017
[5]柴油机缸盖热负荷及冷却水腔强化传热研究[D]. 吴倩文.山东大学 2016
[6]大功率游艇用柴油机气缸盖的设计与开发[D]. 康明明.天津大学 2016
[7]柴油机缸盖热固耦合分析及其热负荷性能影响特性研究[D]. 何伟.湖南大学 2016
[8]基于热—流—固耦合的气缸盖疲劳寿命预测方法研究[D]. 党娟.中北大学 2015
[9]基于有限元法的缸盖疲劳实验相关性研究[D]. 李柯亮.山东大学 2015
[10]大功率特种柴油机改进中关键部件的热负荷分析研究[D]. 刘鹏飞.中国舰船研究院 2015
本文编号：3038628
【文章来源】：中国舰船研究院北京市
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
MTU12V4000柴油机
的可靠性是其最重要的指标之一，因此保证船用柴油机工作的可靠性是其所有技术创新的前提要求。目前世界上主要的先进柴油机研究机构，通常采取优化缸内燃烧、智能化控制、零部件模块化等技术手段，在提高船用柴油机强化指标的同时，又较好的提高了船用柴油机的可靠性与使用寿命，如德国的罗罗动力系统公司开发的船用MTU8000系列柴油机的大修期是原来956系列柴油机的两倍左右。目前来说，MTU4000系列以及MTU8000系列柴油机，代表着中高速船用柴油机未来的发展方向[3]；两代表机型如图1-1与图1-2所示。图1-1MTU12V4000柴油机图1-2MTU20V8000柴油机（2）气缸盖作为柴油机关键零部件之一，其工作状态直接影响着整机的使用寿命。气缸盖作为柴油机燃烧室的组成部分，与活塞、气缸套共同组成密闭的空间，为需要作功的高温高压燃气提供工作容积；这意味着其直接承受着缸内燃烧产生的高温高压载荷，工作条件十分恶劣[4]。对于四冲程、大功率中高速船用柴油机的气缸盖，由于强化指标高、热负荷大的特点，其结构十分紧凑与复杂。同时，由于柴油机缸内工作过程及气缸盖冷却与传热的复杂性，柴油机气缸盖的结构形式颇为繁多。一般可根据柴油机缸径大小和气缸之间的共用情况对气缸盖进行分类，主要有整体式、分体式、单体式，如图1-3。其冷却水套的结构也存在不同形式，包括一体式水腔、双层水腔、多层水腔等，冷却水的流动方式分为自下而上与自上而下式两种[5]，如图1-4。
船用柴油机气缸盖多场耦合仿真及参数敏感性分析2图1-3缸盖形式与缸径的对应关系图1-4左侧为自下而上式、右侧为自上而下随着柴油机强化指标的继续提高，柴油机受热零部件的热负荷也将不断增大；这就对柴油机气缸盖的承载能力提出了更高的要求，其可靠性也面临着越来越大的挑战。在柴油机工作过程中，气缸盖始终承受着多种交变的载荷力以及很高的热载，从而也使得气缸盖故障较为多发，比如：缸盖底面烧蚀、鼻梁区开裂、气道部位出现裂纹、阀座烧蚀、漏水或脱落等缸盖失效形式，如图1-5与图1-6；这些都严重影响着柴油机性能与可靠性。因此，从设计阶段预防气缸盖故障的产生是保证柴油机长寿命高可靠性的重要前提，在设计中利用数值仿真技术评估柴油机缸盖设计的合理性以及研究相关参数的影响规律对柴油机新机型的开发设计具有重要工程意义。图1-5鼻梁裂纹图1-6气道开裂因此，本文以某中高速船用柴油机关键零部件开发设计为背景，为准确预测船用柴油机气缸盖设计的可靠性，利用数值仿真技术对该船用柴油机气缸盖的温度尝应力场以及疲劳强度开展多场耦合仿真分析。针对船用柴油机强化指标提高导致气缸盖面临热
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于热固耦合的柴油机气缸盖有限元分析[J]. 龚金科,何伟,钟超,田应华. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(02)
[2]某柴油机缸盖强度计算[J]. 陈后涛,吴东兴,陈小方,李康宁,刘印. 计算机辅助工程. 2013(S2)
[3]柴油机气缸盖鼻梁区热机耦合疲劳分析[J]. 盖洪武,程颖,姚秀功. 计算机辅助工程. 2013(04)
[4]考虑两相流沸腾传热的气缸盖温度场仿真研究[J]. 何联格,左正兴,向建华. 内燃机工程. 2013(03)
[5]气缸盖冷却水腔内两相流动沸腾传热仿真研究[J]. 何联格,左正兴,向建华. 西安交通大学学报. 2013(01)
[6]基于流固耦合模型的柴油机冷却系统优化设计[J]. 谷芳,崔国起,吴华杰. 汽车工程. 2012(08)
[7]柴油机气缸盖传热规律研究[J]. 郭良平,张卫正,王长园,赵维茂. 北京理工大学学报. 2011(03)
[8]某柴油机气缸盖疲劳的可靠性预测[J]. 胡定云,陈泽忠,温世杰,周海涛. 车用发动机. 2008(S1)
[9]重型车用柴油机气缸盖内流动与传热研究[J]. 王兆文,黄荣华,成晓北,沈捷,钟玉伟. 汽车工程. 2008(04)
博士论文
[1]缸盖冷却水套内沸腾传热特性的研究[D]. 傅松.山东大学 2010
硕士论文
[1]柴油机气缸盖内流动换热研究及水腔结构改进[D]. 胥振龙.江苏大学 2018
[2]面向柴油机强化的缸盖冷却结构优化[D]. 王俊杰.浙江大学 2018
[3]变海拔条件下某柴油机缸盖热状态的变化规律研究[D]. 甘庆良.浙江大学 2018
[4]某柴油机冷却系统及缸盖换热的CFD分析[D]. 周雪凯.大连理工大学 2017
[5]柴油机缸盖热负荷及冷却水腔强化传热研究[D]. 吴倩文.山东大学 2016
[6]大功率游艇用柴油机气缸盖的设计与开发[D]. 康明明.天津大学 2016
[7]柴油机缸盖热固耦合分析及其热负荷性能影响特性研究[D]. 何伟.湖南大学 2016
[8]基于热—流—固耦合的气缸盖疲劳寿命预测方法研究[D]. 党娟.中北大学 2015
[9]基于有限元法的缸盖疲劳实验相关性研究[D]. 李柯亮.山东大学 2015
[10]大功率特种柴油机改进中关键部件的热负荷分析研究[D]. 刘鹏飞.中国舰船研究院 2015
本文编号：3038628
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