柴油机缸盖热固耦合分析及其热负荷性能影响特性研究

摘要

随着能源危机的到来，大气污染加剧，环保法规的日益严苛，这些因素促使柴油机向高功率密度、高转速的方向发展。在发动机的运行过程中，机体承受多种交变载荷以及高的热负荷的作用，工作条件最为恶劣。而缸盖是发动机的核心零部件，需承受高温高压燃气作用。缸盖的疲劳寿命是制约发动机整机耐久性的关键性参数。研究其热负荷与机械强度是设计发动机零部件的重点。
　　本课题以湖南省自科基金(10JJ6080)、汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题(61075002)为依托，以某柴油机气缸盖为研究对象，基于热固耦合的分析方法，对缸盖性能进行数值仿真研究和强度分析，并利用实验设计(Designof Experiments)对气缸盖结构进行优化，论文主要研究工作如下:
　　(1)通过缸盖的测温实验，得到缸盖区域测点的温度值，利用软件拟合火力面参数以及换热面的换热系数，作为软件的边界条件。利用有限元软件计算温度场与实验数据进行对比，存在差别则修正经验公式参数直至拟合。
　　(2)建立了柴油机气缸盖的热-固耦合数值仿真模型，建立缸盖与相关零部件的整机模型。模拟发动机的真实情况，按照装配和发动机运行工况顺序加载载荷。通过分析缸盖的温度场、应力分布以及变形分布，研究缸盖开裂的原因。
　　(3)利用实验设计，分析底板厚度、中隔板厚度、顶板厚度、进排气侧板厚度以及下水套高度等对缸盖的热负荷影响程度。对气缸盖提出结构改进方案。通过分析优化方案，为缸盖鼻梁区的优化提供参考方向。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 热固耦合理论概述

1．2．1 缸盖的耦合热负荷有限元分析概况

1．2．2 缸盖的热固耦合强度与可靠性分析概况

1．3 实验设计概述

1．4 本文研究的主要内容

第2章 缸盖的有限元理论基础及热分析基础

2．1 有限元分析理论

2．1．1 有限元基本思想及优点

2．1．2 有限元分析法基本步骤

2．1．3 有限元软件

2．2 热分析理论基础

2．2．1 传热学基础理论

2．2．2 缸盖热弹性力学分析

2．2．3 缸盖热固耦合分析基础

2．3 本章小结

第3章 柴油机缸盖热固耦合模型有效性验证

3．1 有限元模型的建立

3．1．1 三维实体模型网格划分

3．1．2 零件材料的基本属性

3．2 边界条件

3．3 温度场测温实验

3．3．1 热电偶基本性质

3．3．2 测点布置

3．3．3 实验结果

3．3．4 实验与仿真的拟合

3．4 本章小结

第4章 柴油机缸盖的热固耦合分析

4．1 约束条件

4．2 载荷边界条件

4．2．1 机械载荷边界条件

4．2．2 热载荷边界条件

4．3 气缸盖温度场分析

4．4 气缸盖热固耦合应力场分析

4．4．1 机械载荷作用下的应力分析

4．4．2 热载荷作用下的应力分析

4．4．3 基于热固耦合的应力分析

4．5 气缸盖位移分析

4．6 气缸盖损坏的原因分析

4．7 本章小结

第5章 缸盖热负荷特性影响分析

5．1 DOE概述

5．1．1 DOE操作步骤

5．1．2 MINITAB软件

5．2 缸盖热负荷特性影响分析

5．2．1 缸盖参数对刚度的影响分析

5．2．2 缸盖参数对温度的影响分析

5．3 缸盖的结构优化

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢