缸盖热可靠性工程设计基础问题研究

摘要

缸盖在内燃机运行中承受气体燃烧产生的热载荷及爆发压力载荷，内燃机大幅工况变化易引起缸盖发生低周疲劳，失效区域多集中在缸盖鼻梁区、喷油器孔等热应力较高位置处。缸盖热可靠性设计的关键是通过优化结构、材料等因素使失效区域疲劳寿命满足使用要求，为了解决缸盖热可靠性设计中计算分析流程耗时、缺乏系统的设计依据和优化效率低的问题，本文对缸盖模型进行结构简化及参数化，并搭建了建模-求解-后处理自动分析平台，应用该平台开展燃烧强度、冷却流动、材料、水腔结构因素对缸盖热状态影响研究，在此基础上为减少仿真计算量，提高全局寻优效率，建立了缸盖热状态近似模型，结合遗传算法实现全局自动寻优，并在缸盖热可靠性优化设计中进行应用。本文工作包括以下内容:
　　(1)缸盖流固耦合数值仿真参数化模型研究。首先通过一维燃烧、一维冷却系统仿真，结合热平衡试验获得燃气、冷却液边界条件，然后采用流固耦合数值仿真方法进行整机仿真，获取整机冷却水套流场、固体温度场和应力场;基于整机计算结果和缸盖结构特点，兼顾计算精度和时间成本，将缸盖结构进行简化并建立参数化模型，使用整机温度场计算结果和实机缸盖测温数据验证了该模型，并分析了基于有限容积法的应力求解器的精度，比较了参数化模型和整机模型的计算成本。结果表明，缸盖参数化模型在大幅度减少计算成本的同时具有较好的精度。
　　(2)缸盖热状态变化规律数值仿真研究。搭建了建模-求解-后处理自动分析平台，基于该平台和缸盖参数化模型，采用正交设计方法，研究燃烧强度、材料、冷却液流动、缸盖底板水腔结构对缸盖鼻梁区温度、应力的影响规律，分类比较了各因素的灵敏度。结果表明，燃烧强度、材料、冷却液因素对热状态影响规律呈近似线性特点;对于结构因素影响，以水腔结构对鼻梁区温度、应力影响为例，排气门鼻梁区温度主要受该处鼻梁区水腔高度、宽度影响，而排气门鼻梁区应力则受各处鼻梁区水腔结构影响，说明水腔结构因素对鼻梁区温度和应力的影响分别呈局部和全局性的特点。研究所得的各因素影响规律和灵敏度可以为后续的缸盖热状态近似模型建立提供依据。
　　(3)机械载荷、材料塑性对缸盖热机耦合应力场影响研究。建立包含缸盖、螺栓、假机体的热机耦合模型，分析螺栓预紧力及燃气爆压对缸盖底板热机耦合应力场的影响;同时针对灰铸铁材料，分析材料塑性设置对热机耦合应力、应变计算结果的影响。结果表明，螺栓预紧力、燃气爆压、材料塑性的变化会小幅改变缸盖鼻梁区的应变幅值，在进行缸盖低周疲劳预测时，为了提高缸盖可靠性预测的准确度，应考虑上述热机耦合效应。
　　(4)缸盖热状态近似模型研究。以缸盖底板厚度，缸内燃气温度、换热系数作为边界条件，缸盖鼻梁区水腔结构、冷却液流量作为设计变量，采用最优拉丁超立方设计样本点，并基于一阶响应面、二阶响应面、径向基神经网络(RBF)方法建立了缸盖鼻梁区温度、应力，以及缸盖水腔传热量和水腔阻力的近似模型，对比了各种方法建立的近似模型精度，并综合考虑精度和模型复杂程度，选择二阶响应面方法来构建各指标近似模型，替代参数化模型仿真。在此基础上，应用低周疲劳理论，构建了基于近似模型的各鼻梁区寿命和损伤的计算函数，为后续优化设计奠定了基础理论。
　　(5)基于近似模型的缸盖热可靠性结构优化设计方法应用。以内燃机升功率提升缸盖优化设计为应用案例，基于缸盖热状态近似模型，将水腔阻力和缸盖传热量作为约束条件，将缸盖鼻梁区的损伤作为目标函数，结合多岛遗传算法进行全局优化，计算得到设计变量优化值，比较了应用近似模型替代仿真模型的优化效率，整机热机耦合应力应变和疲劳寿命计算结果验证了该优化方案。结果表明，优化方案缸盖鼻梁区疲劳寿命显著提高，优化算法结合近似模型可以快速获得设计方案全局最优解，提高了优化效率。

目录

声明

摘要

插图目录

表格目录

主要符号表

1 绪论

1．1 本课题研究背景与意义

1．2 数值仿真方法在缸盖热可靠性评价中的应用现状与趋势

1．2．1 计算流体动力学方法在缸盖热可靠性设计中的应用状况

1．2．2 流固耦合算法在缸盖热可靠性设计评价中的应用与发展

1．2．3 热机耦合和疲劳计算方法在缸盖热可靠性评价中的应用

1．3 设计参数对缸盖热可靠性影响研究工作进展

1．4 简化模型和参数化模型在汽车领域的应用现状

1．5 优化算法和近似模型在可靠性设计中的应用现状

1．6 论文主要工作内容及研究目标

2 缸盖流固耦合传热计算参数化模型研究

2．1 整机全模型流固耦合传热数值仿真分析

2．1．1 柴油机一维燃烧模型建立及试验验证

2．1．2 柴油机一维冷却系统分析与试验验证

2．1．3 整机流固耦合传热模型和网格划分

2．1．4 计算参数及边界条件设置

2．1．5 整机流场、温度场分析

2．2 缸盖流动传热数值仿真参数化模型研究

2．2．1 缸盖参数化模型的建立

2．2．2 缸盖参数化模型网格划分及边界条件设置

2．2．3 缸盖参数化模型的验证和时间成本分析

2．3 本章小结

3 基于参数化模型的缸盖热状态变化规律数值仿真研究

3．1 缸盖热状态变化规律研究方法

3．1．1 数值试验设计方法

3．1．2 基于参数化模型的自动分析平台

3．2 燃烧强度对缸盖热状态影响研究

3．2．1 燃烧强度对缸盖鼻梁区温度的影响

3．2．2 燃烧强度对缸盖鼻梁区应力的影响

3．3 材料物性对缸盖热状态的影响

3．3．1 材料物性对缸盖鼻梁区温度的影响

3．3．2 材料物性对缸盖鼻梁区应力的影响

3．4 冷却液物性及流动参数对缸盖热状态的影响

3．4．1 冷却液物性及流动参数对缸盖鼻梁区温度的影响

3．4．2 冷却液物性及流动参数对缸盖鼻梁区应力的影响

3．5 底板水腔结构对缸盖热状态的影响

3．5．1 底板水腔结构对鼻梁区温度的影响

3．5．2 底板水腔结构对鼻梁区应力的影响

3．6 本章小结

4 机械载荷及材料塑性对缸盖热机耦合应力场影响规律研究

4．1 热机耦合数值仿真模型研究

4．1．1 热机耦合计算模型建立

4．1．2 边界条件及物性设置

4．1．3 热机耦合应力场分析

4．2 材料塑性对缸盖应力应变计算结果的影响

4．3 机械载荷对缸盖底板热机耦合应力场的影响

4．3．1 爆压对缸盖热机耦合应力场的影响

4．3．2 螺栓预紧力对缸盖热机耦合应力场的影响

4．4 本章小结

5 缸盖热状态近似模型研究

5．1 近似模型方法

5．1．1 常用的近似模型

5．1．2 近似模型误差分析方法

5．2 缸盖热状态近似模型建立

5．2．1 缸盖温度场近似模型建立与预测精度分析

5．2．2 缸盖应力场近似模型建立与预测精度分析

5．2．3 缸盖传热量和水腔压差近似模型建立

5．3 基于近似模型的缸盖热疲劳可靠性设计理论

5．3．1 热疲劳基本理论

5．3．2 基于近似模型的热疲劳损伤计算方法

5．4 本章小结

6．基于近似模型的缸盖热可靠性结构优化设计方法应用

6．1．缸盖优化设计问题描述

6．1．1．缸盖优化设计变量

6．1．2．缸盖优化约束条件

6．1．3．缸盖优化目标函数

6．2．缸盖优化设计求解

6．2．1．多岛遗传算法优化策略

6．2．2．缸盖优化与求解效率分析

6．3．缸盖优化方案验证

6．3．1．缸盖优化设计方案

6．3．2．功率提升后原方案和优化方案计算结果分析对比

6．4．本章小结

7 全文工作总结及展望

7．1 工作总结

7．2 创新点

7．3 后续研究展望

参考文献

致谢

作者简历