热-机耦合作用下缸盖结构强度与疲劳研究

发布时间：2020-08-10 13:23

【摘要】：随着柴油机功率逐渐强化,对柴油机的结构和性能有了更高的要求,因此对缸盖进行结构强度以及疲劳研究有重要意义。缸盖热负荷的评价以温度为主要依据,温度超过材料承受范围时会发生烧结等状况。在同时承受热载荷和机械载荷是,即使载荷未达到缸盖极限,随着使用时间的增长在持续热-机械载荷的作用下仍然很容易使缸盖在关键区域发生裂纹,致使其产生漏水、漏油、漏气,影响缸盖的正常使用。本文将计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)和有限元分析(Finite Element Analysis)结合起来,对缸盖结构强度、疲劳进行了深入的研究,探明了燃烧强度、冷却液流动参数、机械载荷对缸盖热可靠性的影响规律,可以对柴油机的强化和可靠性分析提供指导性意见。利用流-固耦合方法建立缸盖-缸体-水套的耦合换热模型,对水套的压力、速度、换热系数进行分析,在此基础上根据缸盖壁面边界条件对缸盖温度场进行计算,并通过缸盖火力面温度试验对仿真结果进行验证。建立缸盖-缸垫-缸体等组件的有限元模型,分别进行缸盖在机械载荷、热载荷、热-机械载荷三种工况下的结构强度计算,对其危险部位的应变-应力进行分析研究。根据不同工况应力-应变分析结果对缸盖疲劳进行研究,计算得到缸盖整体的高周疲劳安全系数分布。考虑变温度下的材料属性分别计算额定工况、怠速工况下的热-机耦合应力-应变并结合应变疲劳方法计算缸盖的低周疲劳寿命。为了研究柴油机缸盖在热-机械耦合作用下的热可靠性,利用最优拉丁超立方法以及椭球基(EBF)神经网络建立燃烧强度、冷却液流动参数、机械载荷与火力面最高温度、火力面最大耦合应力、缸盖的疲劳可用因子的近似模型,研究各参数变化对柴油机缸盖热可靠性的影响。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK421
【图文】：

流程图,冷却系统,流程图,缸盖

题的背景与意义油机是广泛应用于各个领域的一种动力机械，在国防研究、工程中有着不可替代的作用。根据传统设计方法对柴油机零部件进行足传热、结构强度、加工工艺等设计要求，最后对整机进行优化匹着科学技术的进步以及市场的需求，内燃机功率逐渐被强化，对性能有了更高的要求，因此对缸盖进行结构强度以及疲劳研究有盖是柴油机最重要的零件之一，其下表面、缸套内壁以及活塞上室，当燃烧室的燃气进行燃烧时缸盖承受着很大的热载荷的作用缸体还通过螺栓连接，缸盖还承受螺栓预紧力以及爆发压力等机载荷工况十分恶劣。散热水腔最为重要缸盖结构之一，如果设个冷却系统冷却[4]不佳（冷却系统如图 1-1 所示），影响正常燃烧。水套内流动封闭不可见，实验观察、实验直接设计与研究十分采用 CFD 的方法对其进行分析。

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图 1-2 鼻梁区域疲劳断裂图Figure 1-2 Fatigue failure of the bridge region依托某国家重点新产品计划，以某柴油机缸盖温度场进行分析，在温度载荷的基础上考虑最大盖进行热-机械耦合应力分析，对缸盖的应力-应有限元的计算结果对缸盖进行爆发工况下的高计算，最后利用最优拉丁超立方法以及椭球基型，研究燃烧强度、冷却液流动参数、机械载荷可以对柴油机的强化和可靠性分析提供指导性究现状水套 CFD 仿真研究现状学（CFD）是计算机快速发展与流体力学计算相学大大方便了对汽车流体区域的数值仿真模拟

流体模型,水套,流-固耦合

第二章缸盖流-固耦合传热研究式中： g 表示重力加速度；为空气的体膨胀系数； t 为壁面与空气的温差；l代表缸盖的长度；v空气的运动粘度；4）对于冷却水腔内表面以及水套液体外表面，壁面热交换条件设置interface，由 fluent 进行缸盖流-固耦合的计算。.3 流-固耦合模型的建立流-固耦合模型主要是包括两个部分，水套流体网格以及缸盖、缸体、缸套等固体网格，根据模型大小以及经验，将基本尺寸设置为 4mm（网格要表 2-1 所示），对流体以及固体均按照四面体网格进行划分，在水套交界边界层的设置，边界层数为三层。然后进行网格划分，最终固体网格约 800 套流体网格约 220 万，从左往右依次是第一缸、第二缸、第三缸、第四缸缸、第六缸，流体和固体网格模型如图 2-1、2-2 所示，缸盖、缸体、缸套的材料属性如下表 2-2、2-3 所示：

【参考文献】