Z6110型柴油机缸盖结构强度分析

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大连理工大学

硕士学位论文

Z6110型柴油机缸盖结构强度分析

姓名：代秀红

申请学位级别：硕士

专业：内燃机

指导教师：梁沙丽;郭成壁

20030301

Ｚ６１１０型柴油机缸盖结构强度分析

摘要

为改进柴油机缸盖疲劳断裂的问题，本文用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ对缸盖进行实体建模，用功能强大的商用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对其进行三维有限元分析。对不同结构形式的柴油机缸盖进行了结构强度分析。分别计算了温度场、预应力场、热应力场、机械应力场、热一机械耦合应力场，通过比较分析得出最佳方案。为柴油机的生产及设计改进工作提供的参考依据。

同时，将缸盖的材料一低合金铜铝铸铁加工成试件，进行了高温低周疲劳寿命试验ｔ并应用当量理论对柴油机缸盖的寿命评价做了尝试性的工作。关键词：气缸盖；三维有限元：结构强度；预应力；高温低周疲劳：当量理论

Ｚ６１１０型柴油机缸盖结构强度分析

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｒｕｐｔｕｒｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ．３ＤＦＥ—ＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｆｏｒＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉＲｅｉＳｐｒｅｓｅｎｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒＴｈｅｍｏｄｅｌｉｓｍａｄｅｂｙＰｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｔｈｅ３ＤＦＥ．ＡｎａｌｙｓｉｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｖＡＮＳＹＳ．ＴｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｓｉｇｎｓｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄＴｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｒｍａｌ＆ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ａｇｒｅｅｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎｉｓｄｒａｗｎｏｕｔｂｙｔｈｅ

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Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄａｒｅｍａｄｅ．Ｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｒｅｍａｄｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ．Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒａｉｎｔｈｅｏｒｙｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｌｉｆｅｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ；３ＤＦＥＡ；ｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓ；ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｏｗ

ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒａｉｎｔｈｅｏｒｙ

绪论

第一章绪论

１．１结构强度研究的学术以及工程背景

结构的计算理论发展到现在，已经进入一个新的时期：既考虑到材料的力学指标（强度）的随机变异，又考虑到外界载荷的随机变异；既考虑到结构的内力（包括内力重分配），又考虑到截面的应力分布（包括弹塑性应力分布及蠕变影响）；既考虑到动荷的疲劳载荷、冲击载荷；又考虑到结构的重要性、破坏状态（延性一塑性，脆性）、制造工艺、工作条件，同时还考虑到其他一些难于统计的，但也影响结构强度、稳定和刚度的因素。然后用统计数学工具，分析结构的强度变异，从而确定出安全度和安全系数。由此可见，强度（或承载力）是结构设计计算的一个重要和主要方面。

强度这个概念，在应力概念确定之前，没有材料强度的概念，只有结构强度的提法，而结构强度是泛指结构的承载能力（破坏的危险状态），其中包括失稳的临界载荷、极限载荷（屈服载荷或破坏载荷）。

在应力概念确定之后，强度系对材料而言的。一种材料的强度就是它抵抗由外力产生的某种应力（或应变）的能力，即材料的一种破坏或破裂的极限状态。材料强度也可成为力学强度，因为它是一力学指标为根据的。从此，结构强度就指结构在外力作用下，结构物体内部所产生的某几种应力（或应变）与组成结构的材料所能抵抗几种应力（或应变）的能力之间的关系。

结构强度破坏，广义地讲包括结构不能继续工作而必须加以更换或加固处理的各种情况，这些都属于强度计算范畴。由于强度破坏的物理现象的复杂性，各种破坏情况的计算方法便各有特点。因此，强度的概念在计算过程中被归结为确定应力的计算本身，并不保证结构的稳定性和具有足够的刚度。于是材料力学和工程结构中就把强度计算、稳定计算和刚度计算区分开来。

强度标准和准则，都是为了保证结构在正常使用过程中，避免产生强度破坏、断裂（或失稳），这其中就包含着安全储备或者说强度储备在内。

强度理论是研究结构或材料在受力过程中产生的物理现象和引起结构或材料破坏、断裂的原因～某种或某几种应力（或应变）超过组成结构物的材料所能抵抗能力，从而为建立相应地应力（或应变）的不等式关系一强度标准、强度准则，提供理论计算方法和依据。

著名物理学家、工程师里奥纳多?达－芬奇（１４５２～１５１９年）曾进行了材料及柱与其他结构的强度试验，提出了有关材料强度的一些见解。十六世纪数学家兼力学家伽利略（１５６４～１６４２年）曾进行过梁的弯曲试验，并提出了有关梁的强度与见解。尽管它的论证在数量上是不精确的，但原则上是正确的。他较全面地研究、试验并分析了梁的破坏强度，因而很多人认为他是“强度科学”的创立者，是第一个试图去得力和所作用物体的强度之间的关系的人。劳勃脱、虎克在１６６０年建立了弹性物理定律。马立敖特于１６８０年才将这个定律用在粱的弯曲强度上。直到１７７３年，材料强度理论，梁的弯曲理论，挡土墙上的土压力理论及拱的计算理论，在库仑的主要著作中才得到全面的应用。虽然其中

绪论

所建立的物体的力和物体强度问的关系，非常接近我们现在所用的形式，但当时没有建立“应力”这个极为重要的概念，这个概念直到十九世纪１８２２年柯西在创立了弹性理论的过程中，分析“物体内一点的应力状态”时，才较为全面的得到阐述。十九世纪中叶，弹性理论才开始用来解决工程上的问题。二十世纪各种新型结构的发展，促使了弹性理论的发展。至此，才把物体所受的力与物体内的弹性力、应变与强度关系互相联系起来¨］。由于数学工具和实验手段在不断发展，结构内力应力分析及材料强度预应力分析都得到了进一步研究。

１．２高温强度研究的学术以及工程背景

在现代工业中，特别是在航空航天和化工等工业中，许多工程结构，如锅炉、蒸汽机、原子反应堆的热交换等，受役于高温高压的工作环境中，承受着高温交变载荷，整个工程结构的安全性和使用寿命取决于材料的高温力学性能。

据统计有８０％的工程结构破坏与疲劳有关而发生失效的零部件大多处于高温状态，一般说来，材料在高温下由于受热导致强度降低，出现与室温下不同的现象。受载荷、温度和时间等因素的影响，同时伴有蠕变现象的发生所以比较复杂。

我国建国以来，许多工业设备老化现象已经十分严重，尤其是一些高温高压设备正面临着设计寿命期限的到来，这设备的安全性和可靠性是急需解决的问题。而更新设备需要大量的财力物力，因此，迫切要求在保证设备的安全性和可靠性的前提下，尽量延长设备的使用期限，剩余寿命的评价就是一项主要的内容。据我国劳动部的统计，建国以来，经过５０多年的发展，很多工业设备已经老化，趋近设计年限，尤其是高温高压设备，迫切需要在保证设备安全性和可靠性前提下，延长设备的使用期限。比如中国石化总公司所属的炼油厂中的焦碳塔，大多是６０年代引进或制造的，大部分正接近设计寿命期限，对其剩余寿命的评价显得尤为重要：作为动力机械的柴油机近年来朝着大型化、高功率化、轻量化的方向发展，燃烧室零部件（气缸盖、活塞、气缸套）所受的工作条件（机械载荷和热载荷）越来越苛刻，严重威胁着柴油机的可靠性和安全性，如何评价柴油机燃烧室零部件的高温强度具有重要的意义。另外各种高功率蒸汽透平、火力发电设备、原予能发电设备、超高速航空机械等工业设备都处于高温高压下工作。并且，我国的锅炉和压力容器爆炸事故比西方国家高一百倍，我国乙烯厂的裂解炉炉管因长期承受８００多度的高温而发生的变形、断裂，每次报废所造成的经济损失可达几千万元。随着我国经济的飞速发展，对于能源的要求越来越迫切，发展原子能核电站势在必行，而核电站所用的机器和构件长期处于高温下工作，由于原子能的放射性，对于其安全性和可靠性的要求尤其的高。综上所述，高温强度理论的研究和应用对于工程实践是具有十分重要的意义的，也十分的紧追。

国外高温疲劳研究首推美国，由美国西北工业大学的ＢｏＬｅｙ和ＷｅｉＦＩｅＦ教授，在热疲劳研究方面以ＮＡＳＡ的ＭａｎｓｏｎｈｅＣｏｆｆｉｎ等人为鼻祖，，在日本早期研２

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