柴油机气缸盖热—流—固耦合分析及结构改进措施研究

发布时间：2019-08-20 11:47

【摘要】：气缸盖作为柴油机的核心构件,是承受载荷最大的构件中的一个,也是燃烧室的关键组成部分,其结构和形状都比较复杂。气缸盖工作时所处的环境比较严峻,不仅受到高温气体的热负荷作用,而且也受到来自螺栓预紧力对其的应力作用。由于高温燃气对缸盖的加热作用和冷却液对其的冷却作用不是很均匀,这样使得缸盖的某些高温部位不能得到很好的冷却,出现缸盖过热等现象,影响其正常的工作。所以,对气缸盖在机械负荷和热负荷下进行分析研究,探讨其改进措施具有非常重要的现实意义。因此,本文在计算流体体力学理论、热传导理论、热应力理论和接触理论的基础上对缸盖进行多场耦合有限元仿真计算。首先在ANSYS-CFX软件中以缸盖及其内部的冷却液组合体为研究对象进行流-固耦合计算,根据计算结果对各部分的温度场以及流场的分布进行分析,为其内腔流道结构改进提供参考。其次采用有限元方法对缸盖在不同工况下进行数值模拟计算,根据计算结果对缸盖在不同工况下的应力状态进行分析,进而确定其应力集中的位置,进而明确其工作时的承载情况。最后根据缸盖在不同工况下的有限元仿真结果,对其结构进行改进措施探讨。具体实施过程及分析结论如下:(1)采用ANSYS-CFX软件以气缸盖和其内部的冷却液为研究对象进行了流固耦合计算,而且针对温度场以及流场对其各部分的影响进行了分析,通过分析可知:缸盖内的冷却液在排气道附近、排气道的鼻梁区的冷却液流速最低,而排气道排出的高温燃气的温度会使得缸盖在此处的温度升高,此处不能合理的冷却会影响缸盖的正常工作,因此应该对排气道附近的结构进行适当改进,以促进冷却液在此处的流速增大,提高此处的冷却效果;排气道及其附近的鼻梁区的流速过低,冷却液流量小,不能很好地对排气道附近区域进行冷却,所以导致排气道处的温度过高。而缸盖的冷却液只对靠近进气道的缸盖火力面的附近进行了冷却,而对排气道附近的火力面附近冷却效果却很差,这会使得排气道处的火力面附近出现高温现象。(2)通过对缸盖的应力场进行分析可知,缸盖在其螺栓的凸台边缘处、排气道的鼻梁区附近、缸盖内部水腔的圆角处容易引起应力集中现象。(3)根据缸盖在其螺栓的凸台边缘处、排气道的鼻梁区附近、缸盖内部水腔的圆角处容易引起应力集中现象。通过缸盖的不同细节对其影响程度的不同,提出四种相应的改进方法,分别为:增大缸盖上水孔的直径、降低缸盖底面的厚度、增大缸盖上水孔直径的同时降低其底面的厚度、缸盖底面加工卸载槽,以达到加强缸盖冷却效果和减低由应力集中引起的疲劳破坏的目的,所得结论如下:增大缸盖的上水孔直径和增大上水孔直径的同时减薄缸盖底面的火力面所在面板厚度对缸盖的冷却效果较好;增大上水孔的直径使得出水口处、排气道鼻梁处的流速明显提高;修改上水孔直径对出水口出的流速影响较大,修改上水孔直径对排气道鼻梁处的平均流速影响较大,修改上水孔直径对冷却水腔的交叉口处的平均流速影响较大。同时增大上水孔直径和降低缸盖底面板厚度,能够明显使得缸盖的总体、缸盖火力面、缸盖排气道以及进气道的温度降低。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK423

【参考文献】