基于热—流—固耦合的气缸盖疲劳寿命预测方法研究

发布时间：2017-08-25 07:02

  本文关键词：基于热—流—固耦合的气缸盖疲劳寿命预测方法研究

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【摘要】：气缸盖是发动机的关键重要零件之一，结构和形状复杂，其与活塞共同形成燃烧室，在工作中承受高温、高压的燃气压力和螺栓预紧力；气缸盖的温度、应力和应变发生周期性的变化，容易产生疲劳破坏。这就需要对气缸盖疲劳寿命进行分析研究，气缸盖一个完整的疲劳分析应该包括高周和低周疲劳分析，气缸盖的高周疲劳主要是循环爆发压力产生的应力幅和热载荷产生的平均应力造成的；低周疲劳主要是由于发动机重复启动和关闭产生循环热应力导致的；热应力是由于温度载荷产生的，，目前气缸盖考虑温度影响时，多采用热-流-固耦合方式进行应力分布分析。对上述气缸盖疲劳寿命预测有两种方法：一种是试验方法，这种方法虽然可靠，但耗资大，工作繁琐，进度慢；一种方法是疲劳寿命分析法，这种方法是依据材料的属性，结合载荷历程选取疲劳寿命分析模型来计算分析出构件的疲劳寿命，这种方法分析模型较多，若对气缸盖疲劳寿命预测选择不合适的分析模型，则会导致其寿命结果误差大。 针对上述问题，本文以某柴油机气缸盖为研究对象，采用整场求解法对气缸盖与冷却液进行直接热-流耦合计算，得到气缸盖的温度场。将气缸盖各节点温度与预紧力、爆发压力耦合在一起对气缸盖进行热-固耦合计算。研究了气缸盖在机械载荷与热-固耦合下的应力分布，得到气缸盖应力集中区域。采用完全瞬态法分别对气缸盖在机械载荷下和热-固耦合下进行瞬态动力学分析，将得到的应力、应变时间历程作为气缸盖寿命预测载荷谱的依据。对于气缸盖高周疲劳问题，研究了多种疲劳寿命分析模型对其预测寿命的影响，得到一种适用于气缸盖寿命预测的模型；对于气缸盖启动-停车循环的低周疲劳问题，通过标准试件对此问题进行了研究，得到研究气缸盖启动-停车循环的低周疲劳寿命预测的一种方法。 本文主要研究内容： （1）气缸盖热-流-固耦合分析 以ANSYS流场分析软件FLUENT为工具，通过经验公式计算气缸盖热载荷边界条件，得出不同区域施加的换热系数、温度及冷却液进出口边界条件。运用整场求解方法，选择控制方程,对气缸盖和冷却液进行直接热-流耦合仿真分析。研究了冷却液流场、温度场和气缸盖的温度场的流速与温度分布情况,最终得到气缸盖各节点温度。将气缸盖各节点温度映射到ANSYS结构分析的气缸盖组合模型中,在ANSYS中对气缸盖组合模型进行预紧工况、爆发工况和热-固耦合工况的静态计算。研究了各工况气缸盖的应力分布,找出了气缸盖的应力集中区域与影响应力集中的载荷。 (2)气缸盖高周疲劳寿命预测方法研究 对气缸盖分别进行机械载荷和热-固耦合的瞬态动力学分析,得出应力-时间、应变-时间历程,为气缸盖的疲劳寿命预测提供了应力谱数据。运用疲劳分析软件DesignLife对气缸盖进行高周疲劳寿命预测。分别研究了气缸盖在机械载荷和热-固耦合作用下选用三种不同损伤参量临界面模型对气缸盖疲劳寿命的影响,得到一种适用于气缸盖的疲劳寿命预测的临界面损伤参量模型,为气缸盖疲劳寿命设计提供一种可靠地寿命预测模型与理论依据。 研究了机械、热载荷对气缸盖火力面高周疲劳寿命的影响,发现施加热载荷后疲劳寿命最低位置位于火力面鼻梁处,在进行寿命预测时必须考虑热载荷的影响. (3)影响气缸盖疲劳寿命的因素研究 重点研究了表面粗糙度对气缸盖寿命的影响。通过设置不同的表面粗糙度系数对气缸盖疲劳寿命进行计算,得到不同表面粗糙度系数对气缸盖疲劳寿命的影响曲线。 (4)探索了通过使用标准试件对气缸盖进行低周疲劳寿命预测的方法 通过标准试件对气缸盖启动-停车循环的低周疲劳问题进行了研究。寿命预测分析方法选择ε-N曲线法对标准试件进行寿命预测分析,得到研究气缸盖启动-停车循环的低周疲劳寿命预测的一种方法。
【关键词】：气缸盖 热-流-固耦合 疲劳寿命 表面粗糙度
【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
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-21
• 1.1 论文的研究背景及意义12
• 1.2 论文目的12-13
• 1.3 国内外相关内容研究现状13-19
• 1.3.1 疲劳研究现状13-15
• 1.3.2 气缸盖疲劳寿命预测研究现状15-19
• 1.4 论文主要研究内容19-21
• 2 气缸盖与冷却液耦合传热分析21-39
• 2.1 气缸盖与冷却液（水腔）实体三维模型建立21-22
• 2.2 气缸盖与冷却液模型网格划分22-24
• 2.3 热-流计算方程24-28
• 2.4 气缸盖和冷却液耦合传热边界条件确定28-33
• 2.4.1 热分析理论28-31
• 2.4.2 固体壁面边界条件确定31-32
• 2.4.3 冷却液进、出口边界条件的确定32-33
• 2.5 FLUENT 求解设置33
• 2.6 热-流耦合计算结果分析33-38
• 2.6.1 温度场计算结果分析34-36
• 2.6.2 流场计算结果分析36-38
• 2.7 本章小结38-39
• 3 气缸盖热-固耦合分析39-47
• 3.1 三维组合模型及网格划分39-41
• 3.2 位移及接触边界条件41-42
• 3.3 载荷边界条件42-43
• 3.4 热-固耦合结果分析43-46
• 3.5 本章小结46-47
• 4 气缸盖热-流-固耦合高周疲劳寿命预测分析47-69
• 4.1 气缸盖寿命预测47-57
• 4.1.1 寿命预测分析方法47-52
• 4.1.2 疲劳载荷谱52-54
• 4.1.3 疲劳累积损伤理论54-57
• 4.2 气缸盖疲劳寿命结果分析57-63
• 4.2.1 基于气缸盖机械瞬态寿命预测分析58-61
• 4.2.2 基于气缸盖热-流-固耦合瞬态疲劳寿命预测分析61-63
• 4.3 影响气缸盖疲劳寿命的因素63-67
• 4.3.1 影响疲劳寿命的因素63-64
• 4.3.2 气缸盖的表面粗糙度影响因素64-67
• 4.4 本章小结67-69
• 5 气缸盖启动-停车循环低周疲劳寿命预测69-80
• 5.1 寿命预测方法69-73
• 5.1.1 局部应力应变寿命预测方法69-72
• 5.1.2 ε-N平均应力修正72-73
• 5.2 标准试件边界条件施加73-74
• 5.3 标准试件热-固耦合结果74-75
• 5.4 标准试件寿命预测分析75-79
• 5.5 本章小结79-80
• 6 结论与展望80-83
• 6.1 结论80-81
• 6.2 展望81-83
• 参考文献83-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果87-88
• 致谢88-89

【参考文献】

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本文编号：735712