缸盖热可靠性工程设计基础问题研究

发布时间：2017-10-14 17:33

  本文关键词：缸盖热可靠性工程设计基础问题研究

  更多相关文章： 缸盖 参数化模型 热可靠性 正交设计 近似模型 优化设计

【摘要】：缸盖在内燃机运行中承受气体燃烧产生的热载荷及爆发压力载荷,内燃机大幅工况变化易引起缸盖发生低周疲劳,失效区域多集中在缸盖鼻梁区、喷油器孔等热应力较高位置处。缸盖热可靠性设计的关键是通过优化结构、材料等因素使失效区域疲劳寿命满足使用要求,为了解决缸盖热可靠性设计中计算分析流程耗时、缺乏系统的设计依据和优化效率低的问题,本文对缸盖模型进行结构简化及参数化,并搭建了建模-求解-后处理自动分析平台,应用该平台开展燃烧强度、冷却流动、材料、水腔结构因素对缸盖热状态影响研究,在此基础上为减少仿真计算量,提高全局寻优效率,建立了缸盖热状态近似模型,结合遗传算法实现全局自动寻优,并在缸盖热可靠性优化设计中进行应用。本文工作包括以下内容： (1)缸盖流固耦合数值仿真参数化模型研究。首先通过一维燃烧、一维冷却系统仿真,结合热平衡试验获得燃气、冷却液边界条件,然后采用流固耦合数值仿真方法进行整机仿真,获取整机冷却水套流场、固体温度场和应力场；基于整机计算结果和缸盖结构特点,兼顾计算精度和时间成本,将缸盖结构进行简化并建立参数化模型,使用整机温度场计算结果和实机缸盖测温数据验证了该模型,并分析了基于有限容积法的应力求解器的精度,比较了参数化模型和整机模型的计算成本。结果表明,缸盖参数化模型在大幅度减少计算成本的同时具有较好的精度。 (2)缸盖热状态变化规律数值仿真研究。搭建了建模-求解-后处理自动分析平台,基于该平台和缸盖参数化模型,采用正交设计方法,研究燃烧强度、材料、冷却液流动、缸盖底板水腔结构对缸盖鼻梁区温度、应力的影响规律,分类比较了各因素的灵敏度。结果表明,燃烧强度、材料、冷却液因素对热状态影响规律呈近似线性特点；对于结构因素影响,以水腔结构对鼻梁区温度、应力影响为例,排气门鼻梁区温度主要受该处鼻梁区水腔高度、宽度影响,而排气门鼻梁区应力则受各处鼻梁区水腔结构影响,说明水腔结构因素对鼻梁区温度和应力的影响分别呈局部和全局性的特点。研究所得的各因素影响规律和灵敏度可以为后续的缸盖热状态近似模型建立提供依据。 (3)机械载荷、材料塑性对缸盖热机耦合应力场影响研究。建立包含缸盖、螺栓、假机体的热机耦合模型,分析螺栓预紧力及燃气爆压对缸盖底板热机耦合应力场的影响；同时针对灰铸铁材料,分析材料塑性设置对热机耦合应力、应变计算结果的影响。结果表明,螺栓预紧力、燃气爆压、材料塑性的变化会小幅改变缸盖鼻梁区的应变幅值,在进行缸盖低周疲劳预测时,为了提高缸盖可靠性预测的准确度,应考虑上述热机耦合效应。 (4)缸盖热状态近似模型研究。以缸盖底板厚度,缸内燃气温度、换热系数作为边界条件,缸盖鼻梁区水腔结构、冷却液流量作为设计变量,采用最优拉丁超立方设计样本点,并基于一阶响应面、二阶响应面、径向基神经网络(RBF)方法建立了缸盖鼻梁区温度、应力,以及缸盖水腔传热量和水腔阻力的近似模型,对比了各种方法建立的近似模型精度,并综合考虑精度和模型复杂程度,选择二阶响应面方法来构建各指标近似模型,替代参数化模型仿真。在此基础上,应用低周疲劳理论,构建了基于近似模型的各鼻梁区寿命和损伤的计算函数,为后续优化设计奠定了基础理论。 (5)基于近似模型的缸盖热可靠性结构优化设计方法应用。以内燃机升功率提升缸盖优化设计为应用案例,基于缸盖热状态近似模型,将水腔阻力和缸盖传热量作为约束条件,将缸盖鼻梁区的损伤作为目标函数,结合多岛遗传算法进行全局优化,计算得到设计变量优化值,比较了应用近似模型替代仿真模型的优化效率,整机热机耦合应力应变和疲劳寿命计算结果验证了该优化方案。结果表明,优化方案缸盖鼻梁区疲劳寿命显著提高,优化算法结合近似模型可以快速获得设计方案全局最优解,提高了优化效率。
【关键词】：缸盖 参数化模型 热可靠性 正交设计 近似模型 优化设计
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK402
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 插图目录13-20
• 表格目录20-23
• 主要符号表23-25
• 1 绪论25-45
• 1.1 本课题研究背景与意义25-26
• 1.2 数值仿真方法在缸盖热可靠性评价中的应用现状与趋势26-34
• 1.2.1 计算流体动力学方法在缸盖热可靠性设计中的应用状况26-28
• 1.2.2 流固耦合算法在缸盖热可靠性设计评价中的应用与发展28-31
• 1.2.3 热机耦合和疲劳计算方法在缸盖热可靠性评价中的应用31-34
• 1.3 设计参数对缸盖热可靠性影响研究工作进展34-36
• 1.4 简化模型和参数化模型在汽车领域的应用现状36-40
• 1.5 优化算法和近似模型在可靠性设计中的应用现状40-43
• 1.6 论文主要工作内容及研究目标43-45
• 2 缸盖流固耦合传热计算参数化模型研究45-73
• 2.1 整机全模型流固耦合传热数值仿真分析45-63
• 2.1.1 柴油机一维燃烧模型建立及试验验证45-49
• 2.1.2 柴油机一维冷却系统分析与试验验证49-52
• 2.1.3 整机流固耦合传热模型和网格划分52-57
• 2.1.4 计算参数及边界条件设置57-59
• 2.1.5 整机流场、温度场分析59-63
• 2.2 缸盖流动传热数值仿真参数化模型研究63-72
• 2.2.1 缸盖参数化模型的建立63-67
• 2.2.2 缸盖参数化模型网格划分及边界条件设置67-69
• 2.2.3 缸盖参数化模型的验证和时间成本分析69-72
• 2.3 本章小结72-73
• 3 基于参数化模型的缸盖热状态变化规律数值仿真研究73-100
• 3.1 缸盖热状态变化规律研究方法73-80
• 3.1.1 数值试验设计方法73-78
• 3.1.2 基于参数化模型的自动分析平台78-80
• 3.2 燃烧强度对缸盖热状态影响研究80-85
• 3.2.1 燃烧强度对缸盖鼻梁区温度的影响80-83
• 3.2.2 燃烧强度对缸盖鼻梁区应力的影响83-85
• 3.3 材料物性对缸盖热状态的影响85-88
• 3.3.1 材料物性对缸盖鼻梁区温度的影响85-86
• 3.3.2 材料物性对缸盖鼻梁区应力的影响86-88
• 3.4 冷却液物性及流动参数对缸盖热状态的影响88-93
• 3.4.1 冷却液物性及流动参数对缸盖鼻梁区温度的影响88-90
• 3.4.2 冷却液物性及流动参数对缸盖鼻梁区应力的影响90-93
• 3.5 底板水腔结构对缸盖热状态的影响93-99
• 3.5.1 底板水腔结构对鼻梁区温度的影响93-96
• 3.5.2 底板水腔结构对鼻梁区应力的影响96-99
• 3.6 本章小结99-100
• 4 机械载荷及材料塑性对缸盖热机耦合应力场影响规律研究100-117
• 4.1 热机耦合数值仿真模型研究100-107
• 4.1.1 热机耦合计算模型建立100-102
• 4.1.2 边界条件及物性设置102-103
• 4.1.3 热机耦合应力场分析103-107
• 4.2 材料塑性对缸盖应力应变计算结果的影响107-110
• 4.3 机械载荷对缸盖底板热机耦合应力场的影响110-116
• 4.3.1 爆压对缸盖热机耦合应力场的影响110-113
• 4.3.2 螺栓预紧力对缸盖热机耦合应力场的影响113-116
• 4.4 本章小结116-117
• 5 缸盖热状态近似模型研究117-136
• 5.1 近似模型方法117-121
• 5.1.1 常用的近似模型117-120
• 5.1.2 近似模型误差分析方法120-121
• 5.2 缸盖热状态近似模型建立121-132
• 5.2.1 缸盖温度场近似模型建立与预测精度分析121-126
• 5.2.2 缸盖应力场近似模型建立与预测精度分析126-129
• 5.2.3 缸盖传热量和水腔压差近似模型建立129-132
• 5.3 基于近似模型的缸盖热疲劳可靠性设计理论132-135
• 5.3.1 热疲劳基本理论132-134
• 5.3.2 基于近似模型的热疲劳损伤计算方法134-135
• 5.4 本章小结135-136
• 6. 基于近似模型的缸盖热可靠性结构优化设计方法应用136-153
• 6.1. 缸盖优化设计问题描述136-138
• 6.1.1. 缸盖优化设计变量136-137
• 6.1.2. 缸盖优化约束条件137
• 6.1.3. 缸盖优化目标函数137-138
• 6.2. 缸盖优化设计求解138-141
• 6.2.1. 多岛遗传算法优化策略138-139
• 6.2.2. 缸盖优化与求解效率分析139-141
• 6.3. 缸盖优化方案验证141-152
• 6.3.1. 缸盖优化设计方案141-142
• 6.3.2. 功率提升后原方案和优化方案计算结果分析对比142-152
• 6.4. 本章小结152-153
• 7 全文工作总结及展望153-156
• 7.1 工作总结153-154
• 7.2 创新点154-155
• 7.3 后续研究展望155-156
• 参考文献156-163
• 致谢163-165
• 作者简历165

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 姜超;邵志良;;近似模型方法在复杂结构优化设计问题中的应用[J];上海汽车;2010年09期

2 白振东;刘虎;柴雪;武哲;;多学科优化中基于实例推理的气动近似模型(英文)[J];Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics;2008年03期

3 陈国栋;韩旭;刘桂萍;;一种基于近似模型管理的多目标优化方法[J];工程力学;2010年05期

4 李冬琴;杨永祥;蒋志勇;;一种多学科设计优化近似模型构建方法[J];中国造船;2011年03期

5 马石磊;李方义;李剑峰;何洋;;基于稀疏网格的近似模型及其在轻量化设计中的应用[J];机械工程学报;2013年07期

6 韩鼎;郑建荣;;工程优化设计中的近似模型技术[J];华东理工大学学报(自然科学版);2012年06期

7 张毅;孙媛;滕克难;宋大勇;;飞机流排序中随机误差的近似模型[J];火力与指挥控制;2013年12期

8 李凡;吴光强;郭建波;;基于耐撞性的多学科近似模型预测精度研究[J];汽车科技;2014年02期

9 夏昊;诸成;陈昌亚;王德禹;;基于近似模型的卫星动力学多目标优化[J];上海航天;2013年05期

10 尹郁琦;谷正气;杨易;容江磊;;基于近似模型的汽车除霜出风口参数优化设计[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2011年07期

中国重要会议论文全文数据库 前3条

1 邓道林;张雨;王忠校;裴咏红;;某乘用车地板结构的多目标优化分析[A];面向未来的汽车与交通——2013中国汽车工程学会年会论文集精选[C];2013年

2 赵子衡;韩旭;姜潮;;基于近似模型的非线性区间数优化方法及其应用[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

3 李方义;荣见华;;基于自适应近似模型技术的不确定多目标优化方法[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

中国博士学位论文全文数据库 前5条

1 李恩颖;近似模型优化体系关键技术研究及应用[D];湖南大学;2009年

2 潘锋;组合近似模型方法研究及其在轿车车身轻量化设计的应用[D];上海交通大学;2011年

3 张勇;基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法[D];湖南大学;2009年

4 汤龙;多参数非线性优化方法关键技术研究及应用[D];湖南大学;2013年

5 尹旭;缸盖热可靠性工程设计基础问题研究[D];浙江大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张实展;目标级联分析中的近似模型聚合方法研究和应用[D];华中科技大学;2014年

2 熊华地;基于高维模型表达和支持向量回归的近似模型研究与应用[D];华中科技大学;2013年

3 张佳洪;基于近似模型技术的约束系统优化设计方法[D];湖南大学;2009年

4 刘慧超;基于近似模型的变复杂度优化方法研究[D];国防科学技术大学;2006年

5 匡玲;基于近似模型的两级集成系统协同优化方法研究[D];华中科技大学;2012年

6 黄志远;基于高维模型表示的近似建模及其采样策略研究[D];华中科技大学;2014年

7 袁野;基于支持向量机近似模型的结构优化设计及应用研究[D];上海交通大学;2013年

8 闫红松;试验设计与近似模型计算软件的设计与研发[D];大连理工大学;2010年

9 顾丽扬;某轿车塑料背门结构优化设计研究[D];吉林大学;2013年

10 申辰威;城际高速列车断面优化设计[D];北京交通大学;2014年

，

本文编号：1032291