柴油机机体缸盖组件的数值仿真和试验研究

摘要

机体缸盖组件是柴油机的主体，具有复杂的结构并承受着苛刻的载荷，同时是多数柴油机企业自行生产的部件，投资较大，研究机体缸盖组件的设计、数值仿真和试验技术具有重要的学术价值和工程意义。
　　本文回顾了机体缸盖组件在结构设计、数值仿真和试验开发方面的研究进展和现状，结合某全新柴油机的研发，阐述了机体缸盖组件的功能需求、载荷情况和结构形式，并进一步阐述了包括刚度、强度、密封、冷却、声辐射特性、紧凑化和制造工艺性在内的主要设计要素。
　　采用打分表方法对缸套支撑形式、机体结构形式和凸轮轴位置进行了优劣性比较并选择了最优的设计方案；根据技术趋势和竞品分析确定了气缸盖结构形式、冷却方式、进气管形式和材料。由此，确定了该机体缸盖组件的主要结构形式和概念特征，为后续细节结构设计奠定了基础。
　　介绍了机体缸盖组件的数值仿真的理论方法，通过对覆盖系数和残余预紧力系数的计算，确定了缸盖螺栓和主轴承螺栓的详细规格与初步拧紧规范。为了开发该机型的气道，在气道吹风试验台进行了多次芯盒气道吹风试验，通过不断修磨的方法使进气道的流量系数和涡流比达到了设定的目标。
　　采用有限体积法对单缸气体流动换热过程进行了分析，得到了气门开度最大时气道和缸内截面上的气体流动分布和整个工作循环内边界层上的速度和换热系数分布。使用AVL.Fire软件对整机冷却水套的冷却液流动进行分析，根据流动速度和换热系数的分布情况，修改了喷油器衬套附近导流形状和缸盖上层水套导流结构，使冷却水套中冷却液的流向与分布更加合理。采用ABAQUS软件对柴油机机体缸盖一体化组件进行了温度、应力和高周疲劳安全系数计算，得到了零件的温度分布、气缸套变形、缸垫密封压力和高周疲劳安全系数。
　　对新开发的机体缸盖组件进行了最小抗拉强度试验、气道稳流试验、螺栓拧紧试验、缸垫面压试验和缸筒变形测量，结果表明各项指标均满足设计要求。进行了拉缸试验,没有发现异常磨损和拉缸痕迹，证明缸筒部分的设计符合要求，温度测试结果说明机体缸盖的温度处于合理范围。负载循环试验和超负荷试验中未发现零件断裂、异常变形、过度磨损或泄露等问题，证明机体缸盖组件的设计符合耐久性要求。

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字母注释表

第一章绪论

1.1引言

1.2结构设计的发展

1.3数值仿真的研究进展

1.4试验测试的研究进展

1.5本文的主要研究内容

第二章设计要素和概念决策

2.1功能需求和载荷情况

2.2主要结构型式

2.3设计要点

2.4主要概念决策

2.5本章小结

第三章数值仿真

3.1数值仿真的主要内容、方法和工具

3.2缸盖螺栓/主轴承螺栓

3.3气道设计和优化

3.4气体流动和换热

3.5冷却液流动和换热

3.6机体缸盖一体化计算

3.7本章小结

第四章试验开发

4.1零部件开发

4.2功能开发

4.3耐久性开发

4.5本章小结

第五章总结与展望

5.1全文总结

5.2未来展望

参考文献

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致谢