缸蓋熱可靠性工程設(shè)計基礎(chǔ)問題研究.pdf

1、缸蓋在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行中承受氣體燃燒產(chǎn)生的熱載荷及爆發(fā)壓力載荷，內(nèi)燃機(jī)大幅工況變化易引起缸蓋發(fā)生低周疲勞，失效區(qū)域多集中在缸蓋鼻梁區(qū)、噴油器孔等熱應(yīng)力較高位置處。缸蓋熱可靠性設(shè)計的關(guān)鍵是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、材料等因素使失效區(qū)域疲勞壽命滿足使用要求，為了解決缸蓋熱可靠性設(shè)計中計算分析流程耗時、缺乏系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)和優(yōu)化效率低的問題，本文對缸蓋模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化及參數(shù)化，并搭建了建模-求解-后處理自動分析平臺，應(yīng)用該平臺開展燃燒強(qiáng)度、冷卻流動、材料、水腔結(jié)

2、構(gòu)因素對缸蓋熱狀態(tài)影響研究，在此基礎(chǔ)上為減少仿真計算量，提高全局尋優(yōu)效率，建立了缸蓋熱狀態(tài)近似模型，結(jié)合遺傳算法實(shí)現(xiàn)全局自動尋優(yōu)，并在缸蓋熱可靠性優(yōu)化設(shè)計中進(jìn)行應(yīng)用。本文工作包括以下內(nèi)容:
　　(1)缸蓋流固耦合數(shù)值仿真參數(shù)化模型研究。首先通過一維燃燒、一維冷卻系統(tǒng)仿真，結(jié)合熱平衡試驗(yàn)獲得燃?xì)?、冷卻液邊界條件，然后采用流固耦合數(shù)值仿真方法進(jìn)行整機(jī)仿真，獲取整機(jī)冷卻水套流場、固體溫度場和應(yīng)力場;基于整機(jī)計算結(jié)果和缸蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，兼顧計

3、算精度和時間成本，將缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化并建立參數(shù)化模型，使用整機(jī)溫度場計算結(jié)果和實(shí)機(jī)缸蓋測溫數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型，并分析了基于有限容積法的應(yīng)力求解器的精度，比較了參數(shù)化模型和整機(jī)模型的計算成本。結(jié)果表明，缸蓋參數(shù)化模型在大幅度減少計算成本的同時具有較好的精度。
　　(2)缸蓋熱狀態(tài)變化規(guī)律數(shù)值仿真研究。搭建了建模-求解-后處理自動分析平臺，基于該平臺和缸蓋參數(shù)化模型，采用正交設(shè)計方法，研究燃燒強(qiáng)度、材料、冷卻液流動、缸蓋底板水腔結(jié)構(gòu)對缸

4、蓋鼻梁區(qū)溫度、應(yīng)力的影響規(guī)律，分類比較了各因素的靈敏度。結(jié)果表明，燃燒強(qiáng)度、材料、冷卻液因素對熱狀態(tài)影響規(guī)律呈近似線性特點(diǎn);對于結(jié)構(gòu)因素影響，以水腔結(jié)構(gòu)對鼻梁區(qū)溫度、應(yīng)力影響為例，排氣門鼻梁區(qū)溫度主要受該處鼻梁區(qū)水腔高度、寬度影響，而排氣門鼻梁區(qū)應(yīng)力則受各處鼻梁區(qū)水腔結(jié)構(gòu)影響，說明水腔結(jié)構(gòu)因素對鼻梁區(qū)溫度和應(yīng)力的影響分別呈局部和全局性的特點(diǎn)。研究所得的各因素影響規(guī)律和靈敏度可以為后續(xù)的缸蓋熱狀態(tài)近似模型建立提供依據(jù)。
　　(3)機(jī)

5、械載荷、材料塑性對缸蓋熱機(jī)耦合應(yīng)力場影響研究。建立包含缸蓋、螺栓、假機(jī)體的熱機(jī)耦合模型，分析螺栓預(yù)緊力及燃?xì)獗瑝簩Ω咨w底板熱機(jī)耦合應(yīng)力場的影響;同時針對灰鑄鐵材料，分析材料塑性設(shè)置對熱機(jī)耦合應(yīng)力、應(yīng)變計算結(jié)果的影響。結(jié)果表明，螺栓預(yù)緊力、燃?xì)獗瑝?、材料塑性的變化會小幅改變缸蓋鼻梁區(qū)的應(yīng)變幅值，在進(jìn)行缸蓋低周疲勞預(yù)測時，為了提高缸蓋可靠性預(yù)測的準(zhǔn)確度，應(yīng)考慮上述熱機(jī)耦合效應(yīng)。
　　(4)缸蓋熱狀態(tài)近似模型研究。以缸蓋底板厚度，缸內(nèi)燃

6、氣溫度、換熱系數(shù)作為邊界條件，缸蓋鼻梁區(qū)水腔結(jié)構(gòu)、冷卻液流量作為設(shè)計變量，采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計樣本點(diǎn)，并基于一階響應(yīng)面、二階響應(yīng)面、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBF)方法建立了缸蓋鼻梁區(qū)溫度、應(yīng)力，以及缸蓋水腔傳熱量和水腔阻力的近似模型，對比了各種方法建立的近似模型精度，并綜合考慮精度和模型復(fù)雜程度，選擇二階響應(yīng)面方法來構(gòu)建各指標(biāo)近似模型，替代參數(shù)化模型仿真。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用低周疲勞理論，構(gòu)建了基于近似模型的各鼻梁區(qū)壽命和損傷的計算函數(shù)，為后續(xù)

7、優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)理論。
　　(5)基于近似模型的缸蓋熱可靠性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)用。以內(nèi)燃機(jī)升功率提升缸蓋優(yōu)化設(shè)計為應(yīng)用案例，基于缸蓋熱狀態(tài)近似模型，將水腔阻力和缸蓋傳熱量作為約束條件，將缸蓋鼻梁區(qū)的損傷作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合多島遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化，計算得到設(shè)計變量優(yōu)化值，比較了應(yīng)用近似模型替代仿真模型的優(yōu)化效率，整機(jī)熱機(jī)耦合應(yīng)力應(yīng)變和疲勞壽命計算結(jié)果驗(yàn)證了該優(yōu)化方案。結(jié)果表明，優(yōu)化方案缸蓋鼻梁區(qū)疲勞壽命顯著提高，優(yōu)化算法結(jié)合近似模