发动机活塞、气缸体和气缸盖热负荷仿真分析

论文摘要

零件的热负荷是发动机进一步强化受到限制的主要因素之一,直接影响到发动机的耐久性、可靠性和经济性,因此在设计发动机时,计算零件的热负荷、考虑影响热负荷的因素以及采取降低热负荷的措施,是一个十分重要的问题。有限元仿真分析方法是对发动机零部件进行热负荷分析的一种有效手段,本文利用这种方法对某小型航空汽油发动机的活塞、气缸体和气缸盖进行了热负荷仿真分析。在热负荷仿真分析的过程中,根据参考机型的资料及相关发动机的设计资料,利用几何建模软件Pro/Engineer设计构建了活塞、气缸体和气缸盖的模型。将模型导入通用有限元分析软件ANSYS进行网格划分,根据经验公式和经验数据,同时结合拟开发发动机的设计目标参数,确定热边界条件,进行仿真分析计算。本文对起飞工况和最大续航工况下的发动机零件进行了热负荷对比分析,同时考虑了海拔高度、燃气平均温度和换热系数对发动机零件的热负荷影响。分别讨论了冷却水对气缸盖热负荷的影响,以及喷油冷却对活塞热负荷的影响。通过各种影响因素下发动机零件的热负荷计算分析,针对活塞、气缸体和气缸盖的高温区域和热应力集中区域,重新修改零件的结构,并进行热负荷仿真计算,提出了该发动机活塞、气缸体和气缸盖的合理设计方案和改进方法。

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中文摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究内容

2 发动机零部件的热负荷分析模型及研究方法

2.1 发动机零部件的传热模型

2.1.1 导热微分方程

2.1.2 发动机热负荷分析中边界条件确定

2.2 发动机零部件的热应力基本方程和定解条件

2.2.1 热弹性问题的基本方程

2.2.2 热弹性问题的边界条件

2.3 发动机零部件热负荷分析的有限元方法

2.3.1 有限元分析方法概述

2.3.2 热传导方程求解的有限元法

2.3.3 应力方程求解的有限元法

2.4 几何建模软件及分析软件

2.4.1 建模软件

2.4.2 分析软件

2.5 单元的类型及网格划分

2.6 本章小结

3 发动机部件的几何模型及仿真前处理

3.1 活塞的几何模型及仿真前处理

3.1.1 建立活塞的几何模型

3.1.2 活塞模型的分区及网格划分

3.1.3 计算活塞的热边界条件

3.2 气缸体的几何模型及仿真前处理

3.2.1 建立气缸体的几何模型

3.2.2 气缸体模型的分区及网格划分

3.2.3 计算气缸体的热边界条件

3.3 气缸盖的几何模型及仿真前处理

3.3.1 建立气缸盖的几何模型

3.3.2 气缸盖模型的分区及网格划分

3.3.3 计算气缸盖的热边界条件

3.4 本章小结

4 发动机部件的热负荷分析

4.1 活塞的热负荷分析

4.1.1 活塞的热负荷评定标准

4.1.2 不同工况下活塞的热负荷分析

4.2 气缸体的热负荷分析

4.2.1 气缸体热负荷评定标准

4.2.2 不同工况下气缸体的热负荷分析

4.2.3 不同海拔高度下气缸体的热负荷分析

4.3 气缸盖的热负荷分析

4.3.1 气缸盖热负荷评定标准

4.3.2 不同工况下气缸盖的热负荷分析

4.3.3 不同海拔高度下气缸盖的热负荷分析

4.4 本章小结

5 发动机部件热负荷影响因素分析

5.1 燃气平均温度的影响分析

5.1.1 燃气平均温度对活塞热负荷的影响

5.1.2 燃气平均温度对缸体热负荷的影响

5.1.3 燃气平均温度对缸盖热负荷的影响

5.2 换热系数的影响分析

5.2.1 燃气换热系数对活塞热负荷的影响

5.2.2 燃气及空气换热系数对缸体热负荷的影响

5.2.3 燃气换热系数对缸盖热负荷的影响

5.3 冷却水对气缸盖的影响分析

5.3.1 冷却水温度对气缸盖热负荷的影响

5.3.2 冷却水换热系数对气缸盖热负荷的影响

5.4 喷油冷却对活塞的影响分析

5.5 本章小结

6 基于热负荷的发动机部件结构改进分析

6.1 活塞结构改进分析

6.1.1 活塞顶部不同燃烧室形式的影响分析

6.1.2 活塞直径的影响分析

6.1.3 活塞顶加隔热槽的影响分析

6.2 气缸体结构改进分析

6.2.1 气缸体缸径的影响分析

6.2.2 气缸体散热片的影响分析

6.3 气缸盖结构改进分析

6.3.1 气缸盖整体尺寸的影响分析

6.3.2 气缸盖火力面底板厚度的影响分析

6.4 本章小结

7 全文总结与工作展望

7.1 全文总结

7.2 作展望

参考文献

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