发动机冷却水套热设计优化与强度分析

发布时间：2020-07-25 17:21

【摘要】：发动机作为能够实现热功转换的热动力机械,已经在我们的日常生活中得到广泛应用。受到能源危机和排放法规的影响,越来越多的新技术被应用的发动机的设计中,以减重减排、降低油耗、提升功率,这也导致发动机的热负荷和机械负荷急剧增加,对发动机的性能和安全性造成了很大的影响。为了将这些负面影响降至最低,需要在设计阶段就考虑降低发动机的热负荷,使机体工作在适宜的温度区间内,并保证热机耦合强度和疲劳安全系数均达标。数值模拟作为一种快捷、准确、低成本的研究方法,在发动机水套设计和强度校核的过程中已得到广泛应用。本文以某三缸涡轮增压汽油发动机作为研究对象,运用Star-ccm+和ABAQUS等软件,实现了从水套流场CFD分析到流固耦合温度分析再到热机耦合强度分析和疲劳安全系数校核的多场联合仿真,并对结果进行分析,改进水套的结构。主要工作内容有以下几点:(1)使用GT-Suite软件建立整车冷却系统一维模型,输入各项参数进行计算,得到水套三维流场分析的边界条件。使用Star-ccm+进行流场的三维CFD仿真,分析结果并对水套进行初步优化。(2)对改进后的水套-机体进行流固耦合传热分析,基于计算结果再次对水套结构进行改进,降低缸体缸盖的最高温度。为验证改进的合理性,在ABAQUS软件中进行了热机耦合强度分析,发现机体的应力满足要求;随后使用FEMFAT进行高周疲劳分析,结果表明缸体的疲劳安全系数不满足设计要求,水套结构需要得到更深层次的优化。(3)对多组优化方案进行仿真分析,最终确定在缸间增加缸垫孔。该方案不仅改善了水套内冷却液流动,降低了机体的最高温度,也满足了耦合强度要求和疲劳安全系数校核指标。综上所述,本文通过对水套和机体进行一系列的耦合仿真分析,发现了水套设计中的缺陷和不足,有效地对水套结构进行了改进,解决了发动机机体温度过高的问题,并保证机体的强度达标。可见通过数值分析手段可以有效地节省开发成本,加快研发进程,缩短项目周期。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK402
【图文】：

技术路线图,技术路线,疲劳安全系数

机机体的最高温度，同时保证机体的疲劳安te 软件中建立整车冷却系统的一维模型，设置到水套进出口的流动边界条件。化发动机水套几何模型，生成可供计算使用的析，提出改进意见化发动机整机几何模型，生成可供计算使用的分析结果以供后续优化参考；导出固体域的强度计算的机体 FEA 网格模型，将上述温度场载荷，在 ABAQUS 软件中进行强度计算行高周疲劳安全系数校核。温度场计算结果和疲劳安全系数计算结果修正散热。程与所采用的技术路线如图 1.1 所示。

示意图,汽车冷却系统,示意图,水冷系统

重庆大学硕士学位论文都采用水冷系统，只有少数汽车发动机采用风冷系统[46][47]。汽车发动机的水冷系统均为强制循环水冷系统，即利用水泵提高冷却管路内的压力，强迫冷却液在管路内循环流动。典型的发动机冷却系统包括散热器、风扇、冷却液膨胀箱、节温器、水泵、发动机缸盖和缸体内部的水套及其他管路和附加装置。

示意图,水套,缸盖,压降

2 发动机冷却系统一维分析2.3 冷却系统一维分析模型的简化与建模2.3.1 发动机水套模型的简化首先，在一维计算中，发动机水套是冷却系统中的通路，根据其自身的流量压降性质影响着冷却系统中的流量和流阻。发动机水套内部形状多变，结构复杂。在一维分析中，并不需要精确保留水套的原始结构特征，而是将其简化为压降模型，即只需要输入其特有的流量-压降曲线便可进行计算。本文所分析的机型缸体、缸盖的水套相对独立，只是共用一个进口，因此将二者分开，各自简化成一个压降模型，分别输入对应的流量-压降曲线。该曲线由三维 CFD 分析计算、插值而来，如下图 2.2、2.3 所示。

【参考文献】