基于多場耦合分析的柴油機氣缸蓋結(jié)構(gòu)仿真研究及疲勞壽命預(yù)測.pdf

1、氣缸蓋是影響柴油機整體性能的關(guān)鍵部件，工作時承受著高強度的機械負荷和熱負荷，由于其結(jié)構(gòu)內(nèi)部及冷卻液流動情況十分復(fù)雜，導(dǎo)致溫度和應(yīng)力分布很不均勻，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重時會發(fā)生疲勞破壞。本文以柴油機缸蓋為研究對象，以流體動力學(xué)、傳熱學(xué)等有限元理論為分析基礎(chǔ)，建立了缸蓋、機體、螺栓、氣缸墊、冷卻水腔的有限元模型，采用非線性接觸分析方法對缸蓋進行了流固耦合、熱機耦合仿真分析。通過對冷卻液流動與傳熱情況及缸蓋在預(yù)緊工況、預(yù)緊-爆發(fā)工況、熱

2、應(yīng)力工況、熱機耦合工況下的應(yīng)力場的分析，找出缸蓋應(yīng)力集中主要區(qū)域，并以此為依據(jù)對缸蓋結(jié)構(gòu)進行了多方案改進設(shè)計。通過對比改進后缸蓋耦合分析結(jié)果，選取最能夠增強冷卻效果、降低缸蓋溫度、緩解應(yīng)力集中問題的設(shè)計方案，采用疲勞分析軟件，計算缸蓋疲勞壽命，探索了機械載荷、熱負荷對缸蓋疲勞強度的影響。
　　論文應(yīng)用前處理軟件Hypermesh對缸蓋、機體、螺栓、氣缸墊、水腔等三維實體模型進行了適當(dāng)簡化，并分別劃分了接觸分析所需的固體域網(wǎng)格及流體

3、分析邊界層網(wǎng)格。把缸蓋和水腔耦合模型導(dǎo)入流體動力學(xué)軟件CFX，運用整場離散、整場求解方法，對氣缸蓋及冷卻液進行了直接耦合傳熱分析。分析結(jié)果顯示，冷卻液流速合理，基本達到缸蓋冷卻要求。但缸蓋上水孔布置不太合理，導(dǎo)致缸蓋冷卻不充分，尤其是兩排氣道之間鼻梁區(qū)及排氣道靠近缸蓋頂板處冷卻液流速偏低，冷卻效果較差，這也解釋了缸蓋在排氣道側(cè)溫度偏高的原因。
　　論文把流場分析得出的缸蓋溫度映射到ANSYS分析模型中，計算了缸蓋在熱應(yīng)力工況、預(yù)緊

4、力工況、預(yù)緊力-爆發(fā)工況、熱機耦合工況下的應(yīng)力場。計算結(jié)果顯示，在預(yù)緊力和爆發(fā)壓力作用下，最大應(yīng)力值都位于螺栓支撐凸臺附近，由此可知，缸蓋只承受機械載荷作用時，應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在預(yù)緊力作用區(qū)域。而在熱應(yīng)力及熱機耦合兩種工況下，應(yīng)力集中區(qū)域基本相同，主要分布在缸蓋底板水道壁面、火力面鼻梁區(qū)及兩排氣道之間的鼻梁區(qū)附近，而這些區(qū)域在單純機械負荷作用下的應(yīng)力值較低，證明了熱負荷對其應(yīng)力水平起主導(dǎo)作用。
　　通過對計算結(jié)果的分析，論文提出五

5、種缸蓋結(jié)構(gòu)改進方案，探索了降低底板厚度、增大入水孔直徑、底板加工卸載槽、增大底板冷卻水孔直徑等結(jié)構(gòu)改進形式對冷卻液冷卻效果、缸蓋溫度場及各種工況下的應(yīng)力分布的影響。通過與原方案對比，發(fā)現(xiàn)缸蓋入水孔直徑增大以后，冷卻液流動更加合理、冷卻效果增強，缸蓋溫度明顯降低；而在底板處加工卸載槽以后，由于火力面的承熱面積增加，使缸蓋最高溫度有所升高。應(yīng)力計算結(jié)果顯示，對缸蓋進行上述改進后，雖然使缸蓋承受了更大的機械載荷，但熱負荷作用下的應(yīng)力值呈下降趨

6、勢。增大缸蓋底板冷卻水孔直徑后，進氣道壁面溫度下降明顯，但缸蓋最高溫度反而略有增加，這主要是由于上水孔流出的冷卻液很大一部分經(jīng)冷卻水孔直接流向出水口，而減少了排氣道側(cè)的冷卻液流量，冷卻效果下降。
　　論文把應(yīng)力計算結(jié)果導(dǎo)入到疲勞分析軟件FE-safe中，選取應(yīng)力計算結(jié)果最優(yōu)方案與原缸蓋結(jié)構(gòu)進行對比，分別計算了缸蓋在機械載荷和熱負荷作用下的疲勞壽命。結(jié)果證明，改進方案降低了缸蓋應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變水平，疲勞循環(huán)次數(shù)增多，壽命加強。