某八缸柴油机缸盖热机械强度有限元耦合分析

摘要

气缸盖是内燃机动力组装配中最为重要和复杂的部件之一，也是内燃机工作环境最恶劣的部件。在柴油机工作过程中，气缸盖火焰面需要承受缸内燃料燃烧产生的高温，同时，气缸盖还要承受巨大的缸内爆发压力。高温产生的热应力、缸内爆发压力、螺栓预紧力、气门座过盈力等同时作用在气缸盖上，使得气缸盖的工作环境十分复杂，大大增加了对气缸盖分析的难度。
　　本文是对某八缸中速柴油机气缸盖进行有限元耦合分析，主要包括三个部分，第一部分是求解气缸盖温度场和热应力，首先，运用Pro/E软件建立柴油机气缸盖的三维实体模型，然后将模型导入有限元软件ANSYS workbench进行网格划分和热边界条件的设置，最后计算气缸盖的温度分布，把计算结果与实际测点温度进行对比，二者在误差范围内吻合。第二部分是对气缸盖进行热与机械强度的耦合分析，首先设置气缸盖的约束和力边界条件，计算机械应力对气缸盖的影响，然后把热与机械强度进行耦合计算，得到气缸盖的总的等效应力分布情况。最后把热应力云图、机械应力云图、总耦合应力云图进行对比和分析。第三部分我尝试对气缸盖结构做了一些改进，主要改变的区域是鼻梁区。
　　计算结果表明气缸盖温度较高的位置主要是在气缸盖火力面两个排气道之间的鼻梁区域，同时排气道表面的温度整体较高。气缸盖耦合总等效应力较高的位置出现在进、排气门之间的两处鼻梁区，偏向于排气门一侧。把热应力分布图、机械应力分布图和耦合场应力分布图对比可以发现热应力对气缸盖整体受力分布的影响最大。耦合之后的应力并不是简单把热应力和机械应力相互叠加。由于该八缸柴油机处于研发设计阶段，本文的工作可以为气缸盖结构的设计和改进提供必要参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究的背景及意义

1．1．1 有限元分析技术在内燃机领域的应用

1．1．2 柴油机气缸盖热应力与机械应力耦合分析的背景及研究意义

1．2 课题的国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容

2 热分析和结构强度分析的理论基础

2．1 热分析理论基础

2．1．1 热能传递的三种方式

2．1．2 有限元方法中热分析的形式

2．1．3 稳态温度场

2．1．4 温度场的三类边界条件

2．2 应力分析理论基础

2．2．1 弹性力学基本理论和方程

2．2．2 热应力有限元基本理论和方程

2．2．3 热应力的求解

2．3 热分析与结构分析的耦合

2．4 本文所用软件简介

2．5 本章小结

3 柴油机气缸盖的温度场有限元分析

3．1 气缸盖简介

3．2 气缸盖三维模型的建立

3．3 模型网格划分

3．3．1 ANSYS软件中的网格划分方法

3．3．2 建立气缸盖网格模型

3．4 热边界条件的设置

3．5 气缸盖温度场的模拟计算及结果分析

3．5．1 气缸盖材料的物理性质

3．5．2 气缸盖温度场的计算结果和分析

3．5．3 气缸盖内部温度分布情况及分析

3．6 热应力的模拟计算及结果分析

3．7 本章小结

4 气缸盖热与结构耦合分析

4．1 耦合问题简介

4．2 力边界条件设置

4．2．1 气缸盖位移边界条件的设置

4．2．2 气缸盖力边界条件的设置

4．3 机械应力计算结果和分析

4．4 热应力与机械应力耦合计算结果和分析

4．4．1 等效应力计算结果和分析

4．4．2 应变的计算结果和分析

4．5 本章小结

5 探究结构改变对耦合应力的影响

5．1 将气缸盖鼻梁区适当加厚

5．2 将气缸盖鼻梁区适当减薄

5．3 改变气缸盖材料

5．4 小结

6 结论与不足

6．1 结论

6．2 不足之处

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢