汽车尾气温差发电装置热应力分析及优化

论文摘要

自汽车诞生至今,汽乍技术经历了一个世纪的发展,汽车新技术正在向节能环保方向快速发展。当前研发汽车新技术都要在车辆的经济环保方面予以考虑,汽车燃油消耗和排放性能是国际汽车市场竞争的重要指标。在车用发动机节能环保技术登峰造极的背景下,研发新型车载节能技术可进一步提高车辆节能性能。汽车尾气温差发电技术是一项新型车载能量回收技术,该技术通过温差发电装置将尾气中的部分废热转换为电能。国内相应的研究刚刚起步,本文通过对温差发电装置构造和工作环境的研究,提出了对该装置进行热应力分析的课题。本文主要研究温差发电装置的热应力分布,研究方法是对温差发电装置的有限元模型进行CAE分析。先使用Hypermesh对装置的几何模型进行前处理,完成几何模型离散之后,使用Fluent计算出的气箱壁面温度和恒定的水箱壁面温度作为边界条件计算出离散模型的温度场。再将计算出的温度场和装置的约束作为边界条件施加到热应力计算模型上,使用ANSYS计算出离散模型的热应力分布。计算结果表明,在施加约束处有较为明显的应力集中点,最大应力值达到320MPa。其中X方向的分应力最小,但水箱应力值较大；Y向分应力值很均匀；Z向分应力有明显的应力集中,且应力梯度很大。固定横梁的位置影响了水箱表面的应力分布,固定横梁在安装螺栓处有应力集中点。热电模块阵列边缘有明显的应力集中点。针对装置的热应力分布提出消除气箱应力集中区域的优化目标。分析了约束对温差发电装置热应力的影响,约束模型中部一个节点的六个自由度,在相同的边界条件下计算出了模型的热应力分布。计算表明约束优化明显的消除了应力集中,模型综合应力和各向压应力值都有显著下降,拉应力只在X向有较小增加。为消除气箱棱边的应力集中区域将气箱的原棱边结构改为圆角过渡,在相同的壁面温度和约束下计算应力场。分析结果表明,优化后气箱的综合应力值、X向分应力和Y向分应力的最大值减小都较小,但Z向分应力减小了36.1MPa,基本消除了气箱的应力集中区域。另外,合理的选择箱体材料也可以减小装置的热应力。本文采用温差发电装置能承受的最高温度作为应力计算的温度载荷,得出装置的最大稳态热应力分布,提出的热应力优化方案优化效果显著。研究表明装置不合理的安装固定会带来严重的热应力集中问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 温差发电研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 温差发电理论及汽车尾气温差发电系统组成
• 2.1 温差发电基本理论
• 2.2 汽车尾气温差发电系统组成
• 2.3 汽车尾气温差发电装置结构
• 2.4 本章小结
• 第3章 热应力分析理论及分析软件
• 3.1 热力学基本理论
• 3.2 热应变与热应力理论
• 3.3 有限元软件介绍
• 3.4 本章小结
• 第4章 汽车尾气温差发电装置建模及热应力分析
• 4.1 温差发电装置有限元模型的建立
• 4.2 温度场及热应力计算
• 4.3 本章小结
• 第5章 温差发电装置热应力优化及分析
• 5.1 温差发电装置约束位置优化
• 5.2 温差发电装置几何优化
• 5.3 箱体材料对温差发电装置热应力的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢