航空活塞发动机典型零件的热-固耦合强度有限元分析

摘要

缸盖和活塞是航空活塞发动机中工作条件最严酷的零件。活塞受到燃气爆发压力、往复惯性力、侧推力等作用，使活塞产生应力和变形；缸盖作为发动机燃烧室一部分，要承受燃气压力和螺栓预紧力等，高的机械负荷使缸盖火力面和螺栓等处容易产生裂纹，直接影响到发动机工作可靠性。因此，开展热、机械载荷的共同作用下活塞和缸盖的热-固强度耦合分析就显得十分重要。
　　本文首先分析了某型号航空活塞所受负荷，提出了计算活塞强度所需的热边界条件、机械边界条件。建立了活塞销-活塞、活塞销-连杆、活塞裙部-缸套之间的接触模型，在ANSYS中，利用有限元的方法对活塞与部件接触的整体模型进行温度场、热应力、机械应力、热-固耦合应力以及接触应力分析计算。计算结果表明：活塞的温度场和应力场分布符合发动机实际情况，均在材料的使用范围之内，活塞受到的负荷当中，机械负荷占主导地位；发动机不同工作条件下活塞的温度场变化较大。
　　其次，分析了发动机工作时缸盖受到的负荷，确定分析所需的热边界、机械边界条件。将缸盖和冷却液看成整体，分析了不同环境条件下缸盖的温度分布，随着海拔的增高，缸盖各部分的温度都降低。应用有限元的方法，分析计算了缸盖的机械应力。计算的结果表明，螺栓预紧力主要作用在螺栓孔，爆发压力主要影响缸盖火力面和缸盖与缸体的接触面应力。最后计算了缸盖在热负荷和机械负荷的共同作用下的耦合应力，耦合应力的分布、数值大小与热应力分布一致，在缸盖中，热负荷是缸盖应力产生的主要原因。
　　进行活塞和缸盖热-固耦合有限元的强度计算，可以分析它们的应力分布、应力集中的部位等，为活塞和缸盖结构的改进提供理论依据。

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注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

第二章 发动机零件热-固耦合强度分析的有限元理论基础

2.1 热-固耦合强度计算的有限元分析理论

2.2 接触问题分析理论

2.3 热分析边界条件的确定

2.4 本章小结

第三章 发动机活塞热-固耦合强度分析

3.1 活塞模型的建立及边界条件的确定

3.2 活塞在热负荷下的温度场和热应力分析计算

3.3 活塞在机械负荷下的应力分析计算

3.4 活塞热-固耦合应力计算分析

3.5 本章小结

第四章 缸盖的热-固耦合强度分析

4.1 缸盖整体模型和冷却水道模型的建立

4.2 缸盖热负荷下的温度场分析

4.3 缸盖热-固耦合的应力场分析

4.4 本章小结

第五章 全文工作总结与展望

5.1 本文的工作总结

5.2 未来工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文