天然气发动机缸盖-缸体多场耦合及疲劳分析

摘要

目前，随着石油资源的严重不足，天然气因其储量大、应用效果好已成为发动机应用最广的代用燃料。但是天然气混合气热值高、燃烧比较缓慢，导致发动机的排气温度高、热负荷大，这对发动机缸盖、机体的结构可靠性提出了更严格的设计要求。因此，对天然气发动机温度场、应力场及疲劳寿命等方面的研究显得尤其重要。
　　本文以东风汽车有限公司天然气发动机为研究对象，进行了整机的CFD和FEA的模拟，提出了完整的利用多场耦合来进行缸盖缸体结构强度和疲劳寿命计算分析的方法。针对该发动机在最大扭矩工况下的结构可靠性进行了模拟研究。开展了一维工作过程、三维缸内燃烧过程、冷却水套的三维 CFD分析、整机的流固耦合。最终，对缸盖-机体进行了应力分析和高低周疲劳的分析。
　　温度实验和仿真结果对比发现：气缸盖的温度模拟结果与测量结果比较一致，验证了本文方法的准确性。温度场仿真结果的最高温度为330.3℃，最高温度在火花塞附近靠近两个排气门之间的位置。应力结果表明：该发动机缸盖的各个进排气门之间出现应力集中，应力最大的部位是两进气道之间的位置，最大 Mises应力值是328MPa。疲劳分析结果表明：在缸盖的鼻梁区位置，低周疲劳寿命和高周疲劳安全系数均比较低，但仍然在安全的范围之内，在后续的改进中，建议对鼻梁区进行优化设计。

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1. 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要内容

2. 模拟计算的理论基础

2.1 传热学理论

2.2 计算流体力学理论

2.3 流固耦合计算理论

2.4 热-机械耦合应力计算理论

2.5 疲劳寿命理论

3. 发动机燃烧模拟计算

3.1 发动机一维工作过程模拟

3.2 发动机缸内三维燃烧过程模拟

3.3 本章小结

4. 发动机冷却系统CFD计算

4.1 网格的划分及边界条件

4.2 计算结果及分析

4.3 本章小结

5. 缸盖-缸体温度场计算分析

5.1 三维网格的划分

5.2 流固耦合的方法

5.3 温度场计算结果及分析

5.4 缸盖温度场测量与模拟对比

5.5 本章小结

6. 缸盖-缸体的热-机械应力及疲劳分析

6.1 有限元计算的载荷和边界条件

6.2 缸盖应力分析

6.3 缸体应力分析

6.4 缸盖-缸体疲劳分析

6.5 本章小结

7. 全文总结及展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录