某型柴油机气缸盖的热—机械耦合分析

论文摘要

气缸盖是柴油机中形状最为复杂的零件之一,它与活塞顶部及气缸内壁共同组成燃烧空间。气缸盖的工作环境非常恶劣,承受着燃气的爆发压力和气缸盖螺栓的预紧力,另外由于燃烧室内的燃气和冷却水的作用使气缸盖各部分温度分布很不均匀,产生很大的热应力。故气缸盖承受着很大的机械应力和热应力,同时,气缸盖所受的高温会降低材料的强度品质,使得气缸盖的损伤率大大增加,这严重威胁着柴油机整体的安全性和可靠性。本文对某型柴油机气缸盖进行了有限元结构分析。针对某型柴油机,建立气缸盖及其冷却水腔的实体模型；采用solid90网格形式,对建立的气缸盖实体模型进行网格划分；根据气缸盖工作特点及有限元理论,建立了缸盖有限元分析模型；为获取精确计算所需的热边界条件,对气缸盖冷却水腔进行网格划分,建立流动计算模型并计算了冷却水腔壁面温度及换热系数；利用数值模拟方法对气缸盖进行了有限元分析,分别计算了气缸盖的温度场、机械应力场、热应力场,在此基础上进一步分析了热—机械耦合应力场及气缸盖在所有力作用下的变形。同时,与文献相关计算相比较,说明本文计算的正确性和可靠性。最后对计算结果进行分析,并在分析的基础上提出降低气缸盖应力的改进建议。计算结果表明气缸盖火力面板上的鼻梁区应力较大,在气缸盖设计时应重点考虑该区域,同时该处的变形处于较高的水平,易发生疲劳损坏,在气缸盖设计时应特别注意。并且在气缸盖的热—机械耦合应力中热应力占耦合应力的主要部分。本文的工作可为气缸盖的结构设计和改进提供一定的参考,主要在降低气缸盖的热应力方面做出结构的改进。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的背景及意义
• 1.1.1 有限元技术在柴油机结构设计中的应用
• 1.1.2 CFD在柴油机气缸盖传热中的应用
• 1.2 相关技术在柴油机领域的的应用
• 1.2.1 国内外有限元技术应用现状
• 1.2.2 有限元技术的发展趋势
• 1.2.3 国内外CFD技术的应用现状
• 1.3 本论文的工作
• 第2章 数值研究理论
• 2.1 有限元法概述
• 2.2 热分析理论
• 2.2.1 稳态温度场
• 2.2.2 温度场的三类边界条件和初始条件
• 2.3 气缸盖冷却水腔传热理论
• 2.3.1 控制方程描述
• 2.3.2 湍流的数值模拟方法
• 2.3.3 壁面函数法
• 2.3.4 壁面函数边界条件
• 2.4 应力分析理论
• 2.4.1 热弹性理论及基本方程
• 2.4.2 热应力的求解—杜哈梅尔相似定理
• 2.4.3 热-机械耦合理论
• 2.5 本章小结
• 第3章 柴油机气缸盖有限元模型的建立
• 3.1 某型柴油机介绍
• 3.2 气缸盖三维实体模型的建立
• 3.2.1 实体建模方法
• 3.3 气缸盖有限元模型的建立
• 3.3.1 气缸盖实体网格的划分
• 3.3.2 气缸盖实体的有限元计算模型
• 3.3.3 气缸盖冷却水腔流体网格的划分
• 3.4 本章小结
• 第4章 柴油机气缸盖有限元分析的边界条件
• 4.1 柴油机气缸盖的热边界条件
• 4.2 气缸盖冷却水腔的换热计算
• 4.2.1 计算模型及边界条件
• 4.2.2 气缸盖冷却水腔的温度场计算结果及分析
• 4.3 气缸盖位移边界条件的确定
• 4.4 气缸盖力边界条件的确定
• 4.5 本章小结
• 第5章 柴油机气缸盖的有限元分析
• 5.1 气缸盖的热分析
• 5.1.1 气缸盖的温度场结果及分析
• 5.1.2 气缸盖的热应力结果及分析
• 5.2 气缸盖的应力分析
• 5.2.1 气缸盖机械应力结果及分析
• 5.2.2 气缸盖热-机械耦合应力结果及分析
• 5.3 与文献计算结果对比
• 5.4 气缸盖的结构改进措施
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢