基于多場(chǎng)耦合分析的柴油機(jī)氣缸蓋結(jié)構(gòu)仿真研究及疲勞壽命預(yù)測(cè).pdf

1、氣缸蓋是影響柴油機(jī)整體性能的關(guān)鍵部件，工作時(shí)承受著高強(qiáng)度的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)部及冷卻液流動(dòng)情況十分復(fù)雜，導(dǎo)致溫度和應(yīng)力分布很不均勻，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生疲勞破壞。本文以柴油機(jī)缸蓋為研究對(duì)象，以流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)等有限元理論為分析基礎(chǔ)，建立了缸蓋、機(jī)體、螺栓、氣缸墊、冷卻水腔的有限元模型，采用非線性接觸分析方法對(duì)缸蓋進(jìn)行了流固耦合、熱機(jī)耦合仿真分析。通過(guò)對(duì)冷卻液流動(dòng)與傳熱情況及缸蓋在預(yù)緊工況、預(yù)緊-爆發(fā)工況、熱

2、應(yīng)力工況、熱機(jī)耦合工況下的應(yīng)力場(chǎng)的分析，找出缸蓋應(yīng)力集中主要區(qū)域，并以此為依據(jù)對(duì)缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方案改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)后缸蓋耦合分析結(jié)果，選取最能夠增強(qiáng)冷卻效果、降低缸蓋溫度、緩解應(yīng)力集中問(wèn)題的設(shè)計(jì)方案，采用疲勞分析軟件，計(jì)算缸蓋疲勞壽命，探索了機(jī)械載荷、熱負(fù)荷對(duì)缸蓋疲勞強(qiáng)度的影響。
　　論文應(yīng)用前處理軟件Hypermesh對(duì)缸蓋、機(jī)體、螺栓、氣缸墊、水腔等三維實(shí)體模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，并分別劃分了接觸分析所需的固體域網(wǎng)格及流體

3、分析邊界層網(wǎng)格。把缸蓋和水腔耦合模型導(dǎo)入流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX，運(yùn)用整場(chǎng)離散、整場(chǎng)求解方法，對(duì)氣缸蓋及冷卻液進(jìn)行了直接耦合傳熱分析。分析結(jié)果顯示，冷卻液流速合理，基本達(dá)到缸蓋冷卻要求。但缸蓋上水孔布置不太合理，導(dǎo)致缸蓋冷卻不充分，尤其是兩排氣道之間鼻梁區(qū)及排氣道靠近缸蓋頂板處冷卻液流速偏低，冷卻效果較差，這也解釋了缸蓋在排氣道側(cè)溫度偏高的原因。
　　論文把流場(chǎng)分析得出的缸蓋溫度映射到ANSYS分析模型中，計(jì)算了缸蓋在熱應(yīng)力工況、預(yù)緊

4、力工況、預(yù)緊力-爆發(fā)工況、熱機(jī)耦合工況下的應(yīng)力場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果顯示，在預(yù)緊力和爆發(fā)壓力作用下，最大應(yīng)力值都位于螺栓支撐凸臺(tái)附近，由此可知，缸蓋只承受機(jī)械載荷作用時(shí)，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在預(yù)緊力作用區(qū)域。而在熱應(yīng)力及熱機(jī)耦合兩種工況下，應(yīng)力集中區(qū)域基本相同，主要分布在缸蓋底板水道壁面、火力面鼻梁區(qū)及兩排氣道之間的鼻梁區(qū)附近，而這些區(qū)域在單純機(jī)械負(fù)荷作用下的應(yīng)力值較低，證明了熱負(fù)荷對(duì)其應(yīng)力水平起主導(dǎo)作用。
　　通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，論文提出五

5、種缸蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，探索了降低底板厚度、增大入水孔直徑、底板加工卸載槽、增大底板冷卻水孔直徑等結(jié)構(gòu)改進(jìn)形式對(duì)冷卻液冷卻效果、缸蓋溫度場(chǎng)及各種工況下的應(yīng)力分布的影響。通過(guò)與原方案對(duì)比，發(fā)現(xiàn)缸蓋入水孔直徑增大以后，冷卻液流動(dòng)更加合理、冷卻效果增強(qiáng)，缸蓋溫度明顯降低；而在底板處加工卸載槽以后，由于火力面的承熱面積增加，使缸蓋最高溫度有所升高。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)缸蓋進(jìn)行上述改進(jìn)后，雖然使缸蓋承受了更大的機(jī)械載荷，但熱負(fù)荷作用下的應(yīng)力值呈下降趨

6、勢(shì)。增大缸蓋底板冷卻水孔直徑后，進(jìn)氣道壁面溫度下降明顯，但缸蓋最高溫度反而略有增加，這主要是由于上水孔流出的冷卻液很大一部分經(jīng)冷卻水孔直接流向出水口，而減少了排氣道側(cè)的冷卻液流量，冷卻效果下降。
　　論文把應(yīng)力計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到疲勞分析軟件FE-safe中，選取應(yīng)力計(jì)算結(jié)果最優(yōu)方案與原缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，分別計(jì)算了缸蓋在機(jī)械載荷和熱負(fù)荷作用下的疲勞壽命。結(jié)果證明，改進(jìn)方案降低了缸蓋應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變水平，疲勞循環(huán)次數(shù)增多，壽命加強(qiáng)。