针阀式喷油器失效因素研究

摘要

随着柴油机自身的高速性能差、噪声大、排放污染严重和维修不便等缺点不断被克服，其应用范围不断扩大。喷油器作为柴油机的重要组成部分，其结构相对于柴油机其他零部件比较紧凑，工作环境处于高温、高压、高燃气的状态，但在如此恶劣的环境下仍需保持较高的工作效率。柴油机工作的好坏很大程度上取决于喷油器是否正常工作。本文依托于某企业的柴油机喷油器设计开发项目，针对柴油机喷油器在工作中出现的问题进行分析，提出了比较系统性的研究方法。主要做了如下工作：　　⑴针阀式喷油器非线性显式动力学撞击响应分析　　基于弹性力学与有限元理论，首先采用Hypermesh有限元软件对喷油器针阀-阀座撞击响应动力学模型进行前处理。应用Abaqus软件接口，再将前处理模型导入该软件进行动力学分析，开发相应的前后处理程序，分析撞击响应稳态过程。同时，建立了相应的撞击响应稳态评价指标，为针阀-阀座的磨损分析提供依据。　　⑵针阀式喷油器热应力分析　　首先运用Ansys Workbench软件平台中Design模块抽取喷油器内流道，建立喷油器燃油的三维流体动力学模型，再利用fluent模块中的湍流模型、能量模型进行流体动力学分析，得到喷油器喷油时的燃油压力变化及温度场；在Ansys Workbench软件平台中采用顺序耦合的方法对喷油器进行流固耦合分析，建立喷油器阀座、压力室、喷嘴的流-热-固耦合有限元分析模型，利用前述喷油器内部燃油的CFD计算分析结果，通过边界节点映射的方式将喷油器喷油时的温度分布数据耦合到有限元结构模型中，得到喷油器喷油时的温度场分布，最后将前述流体计算的燃油压力分布数据和喷油器的所有温度场分布数据导入到有限元结构模型中，最终计算得到喷油器的热应力和热变形，由此建立了喷油器传热边界条件的方法。　　⑶针阀式喷油器正常工作压力条件下的空化现象分析　　首先利用Ansys Workbench软件平台中Design模块抽取喷油器内流道，建立喷油器燃油的三维流体动力学模型，再利用fluent模块采用湍流模型、两相流模型、空化模型进行流体瞬态动力学分析，根据初始的条件及参数，得到不同压力下和不同升程下喷油器内部燃油气、液两相的分布及其压力、流速分布，其结果表明燃油进口压力、针阀升程越大，喷油器内部空化现象越严重；减小背压和增大饱和蒸汽压，喷油器内部空化现象也越严重。　　本文利用显示动力学分析方法及前后处理程序的二次开发对喷油器针阀运动撞击阀座进行分析，并且利用两相流模型、空化模型对喷油器内部燃油进行空化现象分析，以及采用顺序耦合方法对喷油器进行流-热-固多学科耦合仿真分析，系统性地对喷油器关键部位会出现问题的地方进行了比较完整的分析，从而为喷油器的结构优化设计提供相关的参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 论文选题的意义

1.2 喷油器国内外研究现状

1.2.1喷油器针阀与座面撞击研究现状

1.2.2喷油器热分析研究现状

1.2.3喷油器空化现象研究现状

1.3 研究内容

1.3.1 主要内容

1.3.2 技术路线

2 喷油器针阀与座面撞击分析

2.2 显式动力学分析

2.2.1 显式动力学分析中的求解方法

2.2.2 显式动力学分析中的稳定时间极限

2.2.3 能量平衡

2.3 针阀与座面撞击响应分析

2.3.1 针阀与座面有限元模型

2.3.2 模型材料设置

2.3.3边界条件及载荷设定

2.4 求解与结果分析

2.4.1 多次撞击分析的脚本文件

2.4.2 计算结果分析

2.5 本章小结

3 针阀式喷油器内部流场数值模拟

3.1 流体动力学基本理论

3.1.1 流体动力学基本控制方程

3.1.2 湍流模型

3.1.3 湍流的数值模拟方法

3.2 动网格理论

3.2.1动网格简述

3.2.2 动网格运动方式及处理

3.2.3ANSYS Fluent中的动网格

3.3 喷油器内流场CFD计算模型的建立

3.3.1 喷油器三维内流场几何模型

3.3.2 CFD网格模型

3.3.3 内流场分析边界条件

3.4 内流场计算结果分析

3.4.1 喷油器压力场分析

3.4.2 喷油器速度场分析

3.4.3 不同针阀升程下的流场分析

3.5 本章小结

4 喷油器的热应力及热变形分析

4.1 流固耦合分析描述

4.2 传热学基本理论

4.3 喷油器有限元模型的建立

4.4 喷油器温度场分析

4.5 喷油器热应力及热变形分析

4.5.1 热分析边界条件

4.5.2 喷油器热应力及热变形分析结果

4.6 本章小结

5 喷油器空化现象研究

5.1 空化现象基本原理

5.2空化现象的控制方程和数学模型

5.2.1 基本方程

5.2.2 空化模型

5.3 空化现象的模拟分析

5.3.1 几何模型与网格的划分

5.3.2 计算的参数设置

5.3.3 计算结果与分析

5.4 初始条件的影响分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

个人简历、在学校期间发表的学术论文及取得的研究成果