柴油机气缸盖和气缸体热—机耦合分析

摘要

随着内燃机技术的不断进步，内燃机将向着高强度、高性能的方向发展，但其热负荷也会随之增加。内燃机的热负荷和机械负荷对发动机的可靠性和经济性等性能指标有着很大的影响。内燃机零件超过其所能承受的强度极限，就会产生裂纹、疲劳破坏等问题，从而使得发动机不能正常地工作，使用寿命也将大大缩短。故对发动机零件的热负荷和机械负荷进行分析是十分必要的。
　　 本课题对1110型柴油机的气缸盖、气缸体和由气缸盖—气缸垫—气缸体组成的耦合系统进行热—机耦合分析，计算了气缸盖、气缸体和耦合系统的温度场和应力场，并对其结果进行分析。本文主要的研究工作如下:
　　 1)利用UG软件建立柴油机气缸盖、气缸套和气缸体的三维实体模型，考虑到各种因素对分析的影响，对模型进行了一定的简化。然后将建立好的实体模型导入ANSYS WORKBENCH软件对模型进行网格划分。
　　 2)用AVL BOOST软件和经验公式计算热边界条件，并计算了气缸盖和气缸体上的机械载荷。
　　 3)运用ANSYS WORKBENCH对柴油机气缸盖和气缸体进行单件分析。将相关的边界条件施加在气缸盖和气缸体的有限元模型上，计算得到气缸盖和气缸体的温度场和应力场，并对其结果进行分析。分析了气缸盖和气缸体上的危险截面，并提出了一些改进措施。
　　 4)把气缸盖、气缸垫和气缸体作为一个耦合系统，运用ANSYS WORKBENCH软件对其进行有限元分析，计算得到耦合系统的温度场，并用试验验证了温度场分布的正确性;然后再对耦合系统进行结构分析与耦合分析，得到耦合系统应力场的分布云图，并对相应的计算结果进行分析，结果表明，耦合系统在工作时是安全的，但仍然存在着一些问题需要进一步分析。
　　 5)对改进后的耦合系统进行有限元分析，计算得到了改进后耦合系统中的温度场和应力场，并将得到的结果与原耦合系统的结果相比，结果表明，改进后耦合系统中的温度、应力均有所改善。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 内燃机传热系数的研究

1．2．2 单件分析法在内燃机研究中的应用

1．2．3 耦合分析法在内燃机研究中的应用

1．3 本文主要研究内容

第二章 热—结构分析的理论依据

2．1 计算流体力学基础

2．1．1 流体控制方程

2．1．2 湍流模型

2．1．3 数值计算的流程

2．2 温度场分析的理论依据

2．2．1 热传递的三种方式

2．2．2 傅里叶导热定律

2．2．3 导热微分方程及其定解条件

2．3 弹性力学理论基础

2．4 耦合场分析理论

2．5 本章小结

第三章 有限元模型的建立及边界条件的计算

3．1 1110型柴油机简介

3．2 零件的材料属性

3．3 三维实体模型的建立

3．4 零件有限元模型的建立

3．5 边界条件的计算

3．5．1 热边界条件的计算

3．5．2 机械载荷边界条件的计算

3．6 本章小结

第四章 气缸盖和气缸体的有限元分析

4．1 气缸盖和气缸体温度场分析

4．2 气缸盖和气缸体应力场分析

4．2．1 气缸盖和气缸体热应力场分析

4．2．2 气缸盖和气缸体机械应力场分析

4．2．3 气缸盖和气缸体热—机耦合应力场分析

4．3 气缸盖和气缸体的改进措施

4．4 本章小结

第五章 气缸盖和气缸体组合热—机耦合分析

5．1 组合体有限元模型的建立

5．2 耦合系统稳态温度场分析与试验研究

5．2．1 耦合系统温度场分析

5．2．2 耦合系统温度场试验研究

5．2．3 试验结果分析

5．2．4 温度对比分析

5．3 耦合系统应力场分析

5．3．1 耦合系统热应力场分析

5．3．2 耦合系统机械应力场分析

5．3．3 耦合系统热—机耦合应力场分析

5．4 本章小结

第六章 耦合系统的改进及其有限元分析

6．1 耦合系统的改进及其有限元模型的建立

6．2 改进后耦合系统温度场分析

6．3 改进后耦合系统应力场分析

6．3．1 改进后耦合系统热应力场分析

6．3．2 改进后耦合系统机械应力场分析

6．3．3 改进后耦合系统热—机耦合应力场分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文