考虑铸造残余应力的柴油机气缸盖有限元分析

发布时间：2017-10-17 18:06

  本文关键词：考虑铸造残余应力的柴油机气缸盖有限元分析

  更多相关文章： 气缸盖 铸造模拟 残余应力 应力状态 疲劳寿命

【摘要】：铸造是一种包含了大量复杂物理化学过程的金属成型方法,气缸盖作为柴油机中大型复杂铸件之一,其结构可靠性直接影响整机工作可靠性。一方面,柴油机气缸盖具有结构复杂、形状准确,尺寸精度高的特点,导致铸造加工难度大;另一方面,随着柴油机强化程度的不断提高,气缸盖的机械负荷和热负荷大幅度提高。在气缸盖的结构分析时,由于软件接口问题以往绝大多数的研究都未考虑铸造残余应力的影响。本文以灰铸铁气缸盖为研究对象,通过有限元仿真分析的方法,研究了铸造残余应力对柴油机气缸盖应力和疲劳寿命的影响,主要完成的工作如下:(1)通过查阅相关铸造手册设计了气缸盖的铸造系统,采用Hyper Mesh对气缸盖及其铸造系统进行网格划分并成功导入铸造软件ProCast中,在正确设置铸造工艺参数和程序运行参数的基础上对气缸盖的铸造过程进行了模拟,获得了气缸盖冷却后残余应力场的分布情况。(2)将铸造模拟所获得的残余应力场作为应力边界条件成功导入到Abaqus中,并对气缸盖的材料、载荷和边界条件进行了设置,根据气缸盖在热机耦合工况下的温度和应力情况,确定了气缸盖危险区域。通过分析爆发压力和热负荷对危险部位应力的影响情况,确定了主要载荷。并通过对比未施加与施加残余应力两种情况发现,由于残余应力的同向或异向加载,气缸盖危险部位的应力值会有不同程度的提高或降低。(3)通过对六个应力分量和三个主应力大小和方向的分析得知,残余应力的存在并未改变危险部位的单轴或多轴的应力状态。在恒幅热机负荷循环作用下,鼻梁区及排气道夹壁处仍为单轴应力状态,而喷油器座孔周围,水套处、顶板与气门导管过渡处处仍为多轴应力状态。(4)采用考虑平均应力影响的寿命预测公式,对鼻梁区和排气道夹壁处进行寿命预测;采用基于Mises屈服准则转化得到的寿命估算法,对喷油器座孔处进行寿命预测。并分析了残余应力对危险部位疲劳寿命的影响。
【关键词】：气缸盖 铸造模拟 残余应力 应力状态 疲劳寿命
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 本论文研究的背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-18
• 1.2.1 铸造残余应力研究进展12-14
• 1.2.2 气缸盖有限元研究现状14-15
• 1.2.3 疲劳问题研究现状15-18
• 1.3 论文的主要内容18-21
• 第2章 气缸盖铸造过程数值模拟21-40
• 2.1 充型及凝固过程理论21-24
• 2.1.1 充型过程基本方程21-22
• 2.1.2 凝固过程基本方程22-24
• 2.2 数值模拟计算平台的选择24-27
• 2.2.1 ProCast的介绍25
• 2.2.2 Abaqus的介绍25-26
• 2.2.3 ProCast与Abaqus数据接口介绍26-27
• 2.3 气缸盖铸造系统设计27-29
• 2.3.1 浇筑系统设计27-28
• 2.3.2 冒口设计28-29
• 2.4 数值模拟前处理29-32
• 2.4.1 柴油机气缸盖有限元模型建立29-30
• 2.4.2 铸造工艺设置30-32
• 2.5 铸造过程数值模拟分析32-39
• 2.5.1 铸造充型过程仿真32-35
• 2.5.2 铸造凝固过程仿真35-37
• 2.5.3 残余应力场模拟结果37-39
• 2.5.4 残余应力结果的导出39
• 2.6 本章小结39-40
• 第3章 气缸盖载荷特征分析40-49
• 3.1 气缸盖所受载荷类型40-41
• 3.2 气缸盖的机械负荷41-43
• 3.2.1 螺栓预紧力41-42
• 3.2.2 燃气爆发压力42-43
• 3.2.3 过盈利43
• 3.3 气缸盖的热负荷43-48
• 3.3.1 气缸盖材料的影响44-45
• 3.3.2 气缸盖外部约束的作用45
• 3.3.3 气缸盖热边界条件45-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 气缸盖结构有限元分析49-73
• 4.1 气缸盖有限元模型的建立49-55
• 4.1.1 边界条件及材料属性50
• 4.1.2 热边界条件50-51
• 4.1.3 网格的导入与划分51-53
• 4.1.4 预定义应力场（残余应力）的设置53-55
• 4.1.5 直接修改inp文件建模的方法55
• 4.2 气缸盖静强度计算55-65
• 4.2.1 温度场计算56-57
• 4.2.2 应力计算57-65
• 4.3 气缸盖在循环加载下的应力分析65-72
• 4.3.1 多轴加载的判断方法65-66
• 4.3.2 不同位置的应力状态66-72
• 4.4 本章小结72-73
• 第5章 气缸盖疲劳寿命预测73-80
• 5.1 低循环疲劳寿命预测方法73-76
• 5.2 鼻梁区和排气道夹壁处的寿命预测76-78
• 5.3 喷油器座孔周围的寿命预测78-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第6章 总结与展望80-82
• 6.1 全文总结80-81
• 6.2 展望81-82
• 参考文献82-87
• 致谢87

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