CNG发动机典型零部件强度计算与疲劳可靠性分析

论文摘要

配气机构和气缸盖罩是新型CNG（Compressed Natural Gas）发动机的重要组成部分。CNG发动机中气门和气门座在工作中承受极高的机械负荷、热负荷及腐蚀性气体的冲刷,常造成气门下沉、燃烧室的有害气体容积增大、气门头部断裂,严重时气门-气门座的密封作用失效,发动机性能变坏,影响发动机的正常工作,因此气门-气门座的结构性能对整车的安全性和可靠性有着重要的影响。如今镁合金已经广泛的应用于汽车工业,气缸盖罩置于气缸盖上起到密封的作用,镁合金气缸盖罩的使用使其质量有大幅度的减少,强度比钢结构件有所降低,而其处于高温的工作环境,这就要求其强度必须符合设计要求,因此气缸盖罩的强度可靠性及疲劳寿命的研究亦显得尤为重要。本文主要对6110中型CNG发动机中的气门-气门座及镁合金气缸盖罩两种典型部件进行了强度可靠性分析。文中首先系统地分析了气门-气门座这一对摩擦副碰撞接触应力、可靠性及疲劳寿命之间的关系。应用有限元软件LS-DYNA模拟研究了3个完整周期内气门-气门座的动态接触应力。本文还对汽缸罩盖进行了无简化实体建模,使用HYPERMESH对气缸盖罩进行网格划分,并应用有限元软件ABAQUS模拟研究气缸盖罩的热应力。根据计算结果可以看出,在额速工况下,气门-气门座的升程、速度与理论值吻合,加速度值偏大。气门杆头部由于存在应力集中现象而成为气门最大受力区域,但其值小于气门的最大许用应力。气门落座速度为0.2m/s,小于设计要求（0.5m/s）,气门杆头部最大正应力为600MPa,小于气门最大抗拉强度1164MPa。气门座最大径向应力为80MPa,小于材料规定的疲劳极限。镁合金气缸盖罩有限元模拟得出危险点的最大热应力值为149.7MPa,小于材料的许用应力（280MPa）。为气缸盖罩的结构优化、使用维护、疲劳寿命分析等提供了理论依据。采用雨流计数法对气门-气门座危险点应力进行循环计数,得出随机载荷下的疲劳载荷谱,采用局部应力应变法分析气门-气门座这对摩擦副的疲劳寿命,同时运用应力-强度干涉模型得出气门-气门座系统的可靠度。计算结果表明,该摩擦副使用寿命范围为一年左右,可靠度大约是98.63%。镁合金气缸盖罩的可靠性研究采用名义应力法,通过修正零件S-N曲线和p-S-N曲线得到气缸盖罩的寿命和可靠性,得出气缸盖罩使用寿命为5万次,可靠度约为90%。二者寿命与可靠性均符合设计要求。本文最后对镁合金汽缸罩盖进行了模型简化,并对其进行结构优化设计。本文设计变量主要是在质量最小、强度在允许范围内镁合金气缸盖罩边缘厚度的最小值。采用ANSYS APDL参数化设计语言进行优化,得出优化后结果,气缸盖罩厚度减小24.2%,即质量减少23.6%,而最大应力值小于镁合金的许用应力。该优化结果为实际镁合金气缸盖罩优化提供了重要的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 疲劳寿命、应力强度和可靠性
• 1.2.1 疲劳寿命
• 1.2.2 应力强度
• 1.2.3 可靠性定义及其主要特征量
• 1.3 有限元与结构疲劳可靠性研究进展
• 1.3.1 有限元模拟方法概述
• 1.3.2 结构疲劳可靠性分析方法进展
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.4.1 气门-气门座弹性动力学分析及有限元模拟
• 1.4.2 气门-气门座疲劳寿命及可靠性分析
• 1.4.3 气缸盖罩有限元模拟及疲劳可靠性分析
• 1.4.4 气缸盖罩结构优化及可靠性分析
• 2 基于ANSYS/LS-DYNA的气门-气门座动力学有限元仿真模拟
• 2.1 引言
• 2.2 ANSYS/LS-DYNA接触计算简介
• 2.3 气门-气门座动态接触摩擦模拟
• 2.3.1 接触类型确定
• 2.3.2 动态接触分析前处理
• 2.3.3 设置求解参数及求解
• 2.3.4 计算结果分析
• 2.3.5 气门座应力、应变分析
• 2.3.6 气门-气门座接触情况分析
• 2.4 小结
• 3 气门-气门座结构变幅载荷下疲劳可靠性分析
• 3.1 方法建立的基本思想
• 3.2 疲劳累积损伤理论
• 3.3 疲劳载荷谱的处理
• 3.3.1 疲劳载荷谱的种类
• 3.3.2 随机疲劳载荷谱的生成
• 3.4 概率名义应力法
• 3.4.1 p-S-N曲线及其确定方法
• 3.4.2 构件p-S-N曲线影响因素（修正）
• 3.4.3 平均应力的影响
• 3.5 局部应力应变法
• 3.5.1 局部应力应变的稳态法
• 3.5.2 稳态循环应力应变模型
• 3.5.3 应变-寿命曲线
• 3.6 基于ANSYS的应力和应变疲劳寿命可靠性分析
• 3.6.1 局部应力应变的计算
• 3.6.2 损伤的计算
• 3.6.3 气门可靠度及寿命计算
• 3.6.4 气门-气门座接触区域可靠性及寿命计算
• 3.7 小结
• 4 镁合金气缸盖罩有限元分析及可靠性评定
• 4.1 基于ABAQUS的镁合金气缸盖罩有限元分析
• 4.1.1 ABAQUS有限元分析简介
• 4.1.2 镁合金气缸盖罩有限元模拟
• 4.2 镁合金气缸盖罩的强度与可靠性评定
• 4.3 小结
• 5 镁合金气缸盖罩结构优化
• 5.1 ANSYS结构优化方法及步骤
• 5.1.1 优化设计概念
• 5.1.2 优化设计步骤
• 5.2 基于简化模型的气缸盖罩结构优化
• 5.2.1 气缸盖罩优化设计的设计变量
• 5.2.2 气缸盖罩优化设计的目标函数
• 5.2.3 气缸盖罩优化设计的约束条件
• 5.2.4 气缸盖罩优化设计的基本流程
• 5.3 气缸盖罩优化设计结果及可靠性分析
• 5.3.1 目标函数的优化结果
• 5.3.2 设计变量的优化结果
• 5.3.3 气缸盖罩优化结果分析
• 5.3.4 气缸盖罩螺栓位置改变计算及结果分析
• 5.3.5 气缸盖罩优化结果可靠性分析
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢