微型摆式发动机的结构改进设计及热力学分析

摘要

本文主要工作为针对新型摆式二冲程微型内燃机原设计在实际运行中出现的问题做出一些结构设计改进,提出一些自己的设计想法,设计了隔热槽、端面凹槽等以减少中心摆和缸体发生干涉的可能性,并且建立它的数学和物理模型,借助MATLAB和ANSYS软件进行模拟计算和热力学分析,把分析结果反馈到设计中以便指导设计。但由于受当前条件所限,还无法由试验测得微型摆式内燃机工作过程的客观数据。因此,本文参照传统内燃机工作过程数值计算方法,结合微型摆式内燃机自身特点,通过一定模型假设和当量转换,总结了一套应用于微型摆式内燃机工作过程数值模拟计算的方法。运用MATLAB软件编程,用计算得出的状态参数结果,绘出了示功曲线。由于在中心摆上设计了隔热槽,气体的膨胀压力施加在隔热槽表面后导致中心摆端面发生变形,此变形也可成为引起干涉的原因之一,因此在进行热力学分析之前,先对中心摆端面的静力学变形作了必要的分析。由数值计算得出的周期状态参数中,均匀提取31组温度和压力数据作为热力学分析的载荷。按所提数据,在ANSYS中定义31个载荷步,以载荷步文件批求解法,分别对微型摆式内燃机的缸体和中心摆进行耦合热力学瞬态求解。先后求解出缸体和中心摆的温度场、等效应力场和等效应变场,并对两者进行了应变干涉分析。通过对缸体和中心摆的热力学分析,找出它们受热应力后变形最大的位置,同时对它们密封面应力变形进行分析,通过对比它们不同时期的变形,看其是否发生运动干涉,同时根据其变形量反馈到设计中,确定中心摆端面的凹陷数值。由于受条件所限,虽然热力学分析需要的边界条件不够精确,但是根据经验所设定的初始条件及MATLAB模拟计算出的结果和实际情况偏差并不会太大,所以此分析结果有一定参考价值。最后根据热力学分析中发现的问题,检验自己的重新设计改进效果,再次对微型摆式内燃机缸体和中心摆提出了改进设想。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题概况

1.2.1 课题来源

1.2.2 课题意义

1.2.3 课题研究内容

1.3 国外微型发动机研究状况

1.3.1 MEMS 转子发动机

1.3.2 麻省理工大学的微型燃气轮机

1.3.3 磁性自由活塞热力发电机

1.4 本章小结

第二章 结构设计改进

2.1 微型摆式内燃机结构与工作原理

2.2 原方案和修改后设计图

2.3 工作过程相位简图

2.3.1 燃烧室工作过程相位简图

2.3.2 预压缩室工作过程相位简图

2.3.3 工作过程各阶段划分示意图

2.4 本章小结

第三章 物理模型和数学模型的建立及数值计算与分析

3.1 物理模型

3.1.1 发动机数值模拟计算中常用的模型

3.1.2 综合比较

3.2 数学模型

3.2.1 基本假设

3.2.2 基本微分方程

3.3 计算流程图

3.4 工作过程计算结果分析

3.5 性能参数计算

3.6 本章小结

第四章 膨胀压力下的中心摆的端面变形

4.1 中心摆端面变形

4.2 中心摆材料性能参数

4.3 建立有限元模型

4.4 端面应变结果分析

4.5 分析与结论

4.6 本章小结

第五章 缸体热力学分析

5.1 热传导数学模型

5.1.1 能量平衡方程

5.1.2 热传导控制微分方程

5.2 基于ANSYS 的缸体热力学分析

5.2.1 材料性能参数

5.2.2 缸体模型简化

5.2.3 建模并划分网格

5.2.4 加载求解

5.2.5 缸体温度场分析

5.2.6 等效应力场分析

5.3 本章小结

第六章 中心摆的热力学分析

6.1 中心摆材料性能参数

6.2 建模并划分网格

6.3 模型的加载求解

6.3.1 约束条件及载荷

6.3.2 加载求解

6.4 后处理阶段

6.4.1 中心摆温度场分析

6.4.2 中心摆等效应力场分析

6.5 本章小结

第七章 应变干涉分析

7.1 微型摆式发动机密封性精度要求

7.2 等效应力场分析

7.2.1 第七载荷步等效应变场

7.2.2 第二十九载荷步应变场

7.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

读研期间的成果

附录 A