（动力机械及工程专业论文）某型柴油机气缸盖的热机械耦合分析.pdf

某型柴油机气缸盖的热机械耦合分析 摘要 气缸盖是柴油机中形状最为复杂的零件之一，它与活塞顶部及气缸内壁共同组成燃 烧空间。气缸盖的工作环境非常恶劣，承受着燃气的爆发压力和气缸盖螺栓的预紧力， 另外由于燃烧室内的燃气和冷却水的作用使气缸盖各部分温度分布很不均匀，产生很大 的热应力。故气缸盖承受着很大的机械应力和热应力，同时，气缸盖所受的高温会降低 材料的强度品质，使得气缸盖的损伤率大大增加，这严重威胁着柴油机整体的安全性和 可靠性。 本文对某型柴油机气缸盖进行了有限元结构分析。针对某型柴油机，建立气缸盖及 其冷却水腔的实体模型；采用s o l i d 9 0 网格形式，对建立的气缸盖实体模型进行网格划 分；根据气缸盖工作特点及有限元理论，建立了缸盖有限元分析模型；为获取精确计算 所需的热边界条件，对气缸盖冷却水腔进行网格划分，建立流动计算模型并计算了冷却 水腔壁面温度及换热系数；利用数值模拟方法对气缸盖进行了有限元分析，分别计算了 气缸盖的温度场、机械应力场、热应力场，在此基础上进一步分析了热一机械耦合应力 场及气缸盖在所有力作用下的变形。同时，与文献相关计算相比较，说明本文计算的正 确性和可靠性。最后对计算结果进行分析，并在分析的基础上提出降低气缸盖应力的改 进建议。 计算结果表明气缸盖火力面板上的鼻梁区应力较大，在气缸盖设计时应重点考虑该 区域，同时该处的变形处于较高的水平，易发生疲劳损坏，在气缸盖设计时应特别注意。 并且在气缸盖的热一机械耦合应力中热应力占耦合应力的主要部分。本文的工作可为气 缸盖的结构设计和改进提供一定的参考，主要在降低气缸盖的热应力方面做出结构的改 进。 关键词：耦合：气缸盖：温度场；热负荷：机械负荷：冷却水腔 哈尔滨t 稃大学硕：仁掌何论文 a b s t r a c t c y l i n d e rh e a di so n eo ft h em o s tc o m p l i c a t e da n di m p o r t a n tc o m p o n e n t si ni n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n e c y l i n d e rh e a d ，t h et o po fp i s t o na n dl i n e re n c l o s et of o r mc o m b u s t i o n c h a m b e r t h ee x p l o s i v ef o r c ea n db o l tp r e t i g h t e n i n gf o r c ea c to nc y l i n d e rh e a d ，a n di t s t e m p e r a t u r ei su n e v e nd u et ot h ee f f e c to fw o r k i n gm e d i u mi nc o m b u s t i o nc h a m b e ra n dw a t e r j a c k e t ，s oc y l i n d e rh e a ds u f f e r sh i g hm e c h a n i c a la n dt h e r m a ls t r e s s e s ，m e a n w h i l eh i g h t e m p e r a t u r ew i l lr e d u c es t r e n g t hq u a l i t yo ft h em a t e r i a l ，t h i sm a d et h ec y l i n d e rh e a di n j u r y r a t ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ，w h i c hs e r i o u s l yt h r e a t e nt h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ee n g i n e i nt h i st h e s i s ，f e ai se m p l o y e do nt h ec y l i n d e rh e a do fe n g i n e l o t sm e t h o d sa r e i n t r o d u c e dt os o l v et h ep r o b l e m e s t a b l i s h e dt h e s o l i dm o d e lo fc y l i n d e rh e a da n dc o o l i n g w a t e rj a c k e to fac e r t a i nt y p eo fe n g i n e ；m e s hc y l i n d e rl l e a du s i n gt h ee l e m e n tt y p eo f s o l i d 9 0 ：e s t a b l i s h e df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc y l i n d e rh e a da c c o r d i n gt ot h e w o r k i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r y ；m e s ht h ec o o l i n gw a t e rj a c k e to fc y l i n d e rh e a d e s t a b l i s h e dt h ef l o wm o d e la n da n a l y z et h et e m p e r a t u r ea n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fw a t e r ja c k e tw a l l t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di s u s e df o rt h ec y l i n d e rh e a dt ot h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，i nt h es a m et i m e ，t h er e s u l t so f w a t e r j a c k e ti su s e da sb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a ls t r e s sf i e l da n dm e c h a n i c a ls t r e s sf i e l da r ec a l c u l a t e d s e p a r a t e l y o nt h eb a s i so ft h i s ，t h e r m a l - m e c h a n i c a ls t r e s sf i e l da n dt h ed e f o r m a t i o no ft h e c y l i n d e rh e a da r ec a l c u l a t e dt o o m e a n w h i l e ，t h ec a l c u l a t i o no ft h ec y l i n d e rl l e a db yo t h e r si s c o m p a r e da n ds h o w st h a tt h ec a l c u l a t i o no ft h ec y l i n d e rh e a dt h i st i m ei sm o r er e l i a b i l i t y f i n a l l y ，aw a yw h i c hc a l lr e d u c et h es t r e s sa n di m p r o v et h es t r u c t u r eo fc y l i n d e r1 1 e a di s p r o p o s e d t h e s t r e n g t ha n a l y z e i so f c y l i n d e r h e a di sc a r d e do u tu n d e rt h et h e r m a l m e c h a n i c a l c o u p l i n g l o a d s t h er e s u l ts h o w st h a tt h e h i g h s t r e s s z o n e se x i s t a r o u n dt h ev a l v eg u i d e sh o l e s ，a n di th a sl a r g ed e f o r m a t i o np r o n et of a t i g u ed a m a g e ，t h a t s h o u l dm a k eas p e c i a lc o n s i d e r a t i o ni nd i e s e ld e s i g n a n dt h e r m a ls t r e s sf i e l da c c o u n t sf o rt h e m a j o rp a r to ft h e r m a l m e c h a n i c a ls t r e s sf i e l do f t h ec y l i n d e rl l e a d f i n a l l y ，as i m p l er e v i s e d s c h e m em a i n l yi nr e d u c i n gt h et h e r m a ls t r e s sf i e l di si n t r o d u c e do nt h ec a l c u l a t i o n k e y w o r d ：c o u p l e d ；c y l i n d e rh e a d ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；t h e r m a ll o a d ；m e c h a n i c a ll o a d ；c o o l i n g w a t e ri a c k e t 第1 审绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究的背景及意义 自18 9 2 年d i e s e l 试制成功第一台柴油机以来，柴油机已成为目前世界上应用最为 广泛的热动力装置之一【。热能动力机械，顾名思义，它的运转离不开“热”的传递现 象，这将在很大程度上影响柴油机经济性、可靠性以及其它各项重要的经济性能指标。 随着科技的不断进步，柴油机的性能指标也不断发展如：强化程度不断提高、燃油 消耗率的降低、柴油机经济性的提高、柴油机的可靠性和耐久性的提高【2 】。性能指标的 提高进一步推动了柴油机强度的研究。 柴油机燃烧室零部件长期处于高温高压的环境中，并承受交变载荷的作用，其工作 环境十分恶劣，损伤率也显著上升，严重威胁着柴油机整体的安全性和可靠性。在各种 燃烧室零部件中气缸盖和活塞的工作条件极其恶劣，尤其是在与火焰直接接触的火力面 板鼻梁区，在柴油机运行过程中该区域承受着高温和高压的作用，受力状态非常苛刻p j ， 同时高温不但会降低材料的强度品质，还会造成很大的热应力。特别是由于温度过高和 温度分布不均而产生的热应力的反复作用往往会形成热疲劳裂纹，造成气缸盖的破坏【4 】。 据统计，有8 0 的工程结构的破坏及与疲劳有关而失效的零部件都处于高温状态。 一般来说，材料在高温下由于受热使得其强度降低，且材料受载荷、温度和时间等因素 的影响，可能同时伴有蠕变现象的发生，所以对高温下材料的研究较为复杂。 气缸盖是柴油机所有零部件中热负荷最大的零件之一，也是柴油机中工作条件最为 恶劣的零件之一，它与活塞顶部及气缸内壁共同组成燃烧空间。由于气缸盖内部分布着 大量水腔及气道等，其结构形状非常复杂，同时承受着高温气体压力和螺栓预紧力及其 它装配力，负载很大。而且气缸盖各部分的温度分布很不均匀，其底面直接与燃气接触 部分( 即火力面) 温度很高而火力面附近的冷却水腔或散热片部分的温度则很低，气缸盖 中进气道和排气道的温度也不相同，较大温差的存在导致气缸盖承受着很大的机械应力 和热应力，容易产生裂纹。同时，如果气缸盖由于受热引起的变形过大，将会影响与气 缸的接合面及气门座接合面的密封，还会加速气门座的磨损，产生气门杆“咬死 现象， 严重时甚至造成漏气、漏水和漏油等现象，使得柴油机无法正常工作。因此气缸盖的强 度直接影响着柴油机整机的寿命。如何有效地解决气缸盖的热负荷问题，提高柴油机受 热零部件的安全性、可靠性及其使用寿命已成为重要的研究课题。 哈尔演t 稗大学硕十学位论文 1i l l 1 1 1 有限元技术在柴油机结构设计中的应用 长期以来，由于技术条件的限制，气缸盖的可靠性研究主要采用实物疲劳试验的方 法，不仅发现问题晚，还浪费大量的人力和物力，因此对气缸盖进行现代设计分析的研 究势在必行【5 】。各种研究方法中，功能强大的计算机辅助工程( c a e ) 技术，是非常有效 的研究手段。c a e 技术是利用计算机来模拟研究对象在各种工况下的温度、热流、热梯 度及受力状况等，可以显示任何试验中都无法观察到的发生在结构内部的一些物理现 象，可以用来替代一些昂贵的、难以实施的甚至危险的试验，并且在新产品的设计开发 阶段就能充分考虑和预测零件的各种强度参数，缩短新产品的开发周期，减少试验的昂 贵投入，提高产品的市场竞争力。因此，采用c a e 方法来模拟柴油机零部件温度和强 度的研究方法，己越来越多地投入到实际的应用中去。其中c a e 技术中最具代表性的 是有限元分析方法。 在工程技术领域内，有两类典型问题。第一类问题称为离散系统，可归结为有限个 一维单元体的组合，如材料力学中的建筑结构框架、连续梁和桁架结构等。第二类问题 称为连续系统，通常可以建立它们应遵循的基本方程，即微分方程及其相应的边界条件。 例如热传导问题、电磁场问题和弹性力学问题等。由于建立基本方程的对象通常是无限 小的单元。尽管已建立了连续系统的基本方程，但由于边界条件的不够全面，通常只能 得到少数简单问题的精确答案。对于许多工程实际问题，仍无法给出精确的解答，为了 解决这个困难，工程师和数学家们提出了许多可求得近似解答的方法。 在寻找连续系统求解方法的过程中，工程师和数学家分别从两个不同的方向得到了 相同的结果，即现在的有限元法。有限元法的形成可以追溯n - - 十世纪5 0 年代，它来 自于固体力学中的矩阵结构法的发展和工程师对结构的相似性的直觉判断。从固体力学 的角度来看，连续梁等标准的离散系统与人为地分割成有限个部分后的连续系统在结构 上存在很大相似性。 1 9 6 0 年，c l o u g h 在他名为“t h ef m i t ee l e m e n ti np l a n es t r e s sa n a l y s i s ”的论文中首次 提出了有限元( f i n i t ee l e m e n t ) j 区_ - - 概念【6 】。数学家们则发展了微分方程的近似解法，其中 包括有限差分法、加权余量法和变分原理【j 7 1 。使得有限元法的广泛应用成为可能。有限 元法被认为是一种求解连续介质和长问题的数值计算方法。 有限元法的主要应用领域有：温度场分析，分析结构内部的温度分布和热应力及热 变形；结构的动力学分析，包括计算结构或者系统本身的动态特性，如结构的固有频率、 振型等，和强迫响应的分析，即结构在动载荷作用下的响应；结构的静力分析，即计算 2 第1 辛绪论 结构与时间无关的应力分布与结构的变形情况流场分析等1 8 j 。 利用有限元方法来解决复杂结构的各种分析计算，已成为一种有效的辅助设计手段 和方法。随着计算机软硬件技术的高速发展，有限元法越来越广泛地应用于柴油机设计 领域，它的广阔的解算能力、高计算精度、低的设计成本、简单的应用方法，成功地为 各类工程结构强度问题提供极为便捷的方法而深受工程界的欢迎，是c a e 技术的重要 组成部分，也是目前最为有效的强度计算方法。 目前，世界上几乎所有的进行柴油机设计与制造的柴油机厂商都将有限元分析技术 列为设计常规【9 】，设计、分析、计算、改进成已为柴油机设计开发的必须过程，将有限 元分析技术与模态分析技术结合的动态设计技术，已在国外柴油机结构设计中获得了工 程的实际应用。有限元技术不仪能提高设计的零部件的可靠性，还能缩短设计周期。 目前，柴油机零部件的有限元分析研究基本集中在应力应变场分析、温度场分析及 结构的振动分析三个方面【n 1 4 】，此外，因为人们对铸造要求的不断提高，基于有限元法 的铸造分析也做了较多工作。 1 1 2c f d 在柴油机气缸盖传热中的应用 ， 作为现代计算机辅助工程技术的一个重要的发展方向，计算流体力学( c f d ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 方法是将流场的控制方程采用计算数学的算法把其离散 到一系列的网格节点上，求其离散的数值解的一种方法。 很多人认为计算流体力学是2 0 世纪6 0 年代中后期逐步形成和发展起来的。但实际 上，有关流体动力学基本方程的数值求解数学方法和理论的研究早在2 0 世纪初就已经 开始了，而且其中有不少的研究成果对后来计算流体力学的发展起到重要的影响。从2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机技术的高速发展，c f d 这跨及偏微分方程数值理论、 流体力学、计算机科学和数值分析等多领域的交叉学科迅速崛起。不仅促使计算流体力 学相关研究工作的成果和发表的文章数量日渐增多，更为突出的是计算流体力学方法开 始在工业界得到应用。经过短短的数十年发展，各种通用的c f d 软件包先后出现，这 标志着计算流体力学方法逐步走向成熟。尤其是2 0 世纪8 0 年代以来，商用c f d 软件 的出现，到9 0 年代越来越多的商用的c f d 软件如雨后春笋般出现，其涉及的范围越来 越广，使c f d 技术的应用从最初的核工业和航空工业不断扩展，直到包括汽车行业在 内的多个领域，而其中最具代表性的便是c f d 技术在发动机领域的应用【l ”。 c f d 技术在发动机领域的一个最为重要的应用是发动机气缸盖冷却水腔的c f d 数 值模拟。冷却水腔内有关冷却水流动和传热的研究己有七十多年的历史。由于发动机的 3 哈尔滨t 稃大学硕f j 学位论文 冷却系统十分复杂，如何在计算机中生成这些复杂的模型，并在其基础上生成流体力学 计算所需的网格，是实现数值模拟计算的基础。因此，尽管在2 0 世纪8 0 年代中期，流 体力学计算方法和计算格式都有了飞跃式的发展，但是网格生成技术并没能与计算方法 的发展保持同步，这阻碍了c f d 的进一步发展。直到9 0 年代的中期，随着网格生成技 术的发展，发动机冷却系统的c f d 模拟计算才逐渐得以实现。 鉴于柴油机冷却系统流动的重要性和c f d 方法的优越性，使得c f d 技术在冷却系 统研究中倍受柴油机研究者重视。 在柴油机的冷却系统数值分析方面，国外在基本理论研究、通用软件开发与商业推 广、技术与工程实际的结合等方面起步早，投入高，己获得了绝对领先的技术水平。现 在，c f d 技术在国外汽车和内燃机的不同研究方面都得到了广泛的应用，如换气过程中 气道内气流的运动、燃烧模拟、冷却水套中水流计算以及热传导等。 c f d 数值模拟计算能够获得以往需要通过大量实验才能得到的流动信息，这些信息 不仅为冷却水腔的结构优化设计提供重要的理论依据，还为燃烧室部件的热强度计算提 供较为准确的边界条件。与实验数据相比，计算结果的准确性和可靠性也是令人满意的， 另外可以节省大量的时间和经费。对于国内大型企业来说，由于引进了大量不同的大型 分析软件，可以将这些不同应用领域的软件组合起来以解决其实际工程问题，但在进行 耦合场分析计算时必须有效准确地传递数据，这样才能真正进行耦合仿真计算。随着各 种大型软件之间的接口做得越来越完善，不同软件组合起来进行耦合分析更显容易。 1 2 相关技术在柴油机领域的的应用 1 2 1 国内外有限元技术应用现状 有限元技术发展至今，已有很多种有限元分析软件，应用较多的有限元软件有： m s c n a s t r a n ，是著名的结构分析程序，最初由n a s a 研制；a n s y s 是通用结构分析软 件；m s c d y t r a n 是动力学分析程序：m s c m a r c 、a d i n a 、a b a q u s 都是非线性分析软件， 此外，还有多种专用有限元软件，如金属成形分析软件d e f o r m 、a u t o f o r m ，焊接与热 处理分析软件s y s w e l d 等。 国外的柴油机设计工作中很早就利用了有限元分析技术，特别是随着计算机技术及 有限元理论和手段的发展，以有限元方法为代表的c a e 技术在各个柴油机设计部门起 着越来越重要的作用【1 每2 0 1 。 在进行结构分析方面，k e n t u c k y 大学的a f s y e b e r t 对包括油底壳在内的许多柴油 4 第】辛绪论 机零部件做了有限元的各种分析，并实现了声振耦合分析 2 1 1 ；s h u n gh s u n g 等人利用有 限元软件n a s t r a n 对柴油机的振动及噪声做了预测 2 2 1 ；r o b e r ts o u t h a l l 等人利用有限元技 术设计开发了满足欧i i i 标准的p e r k i n sv 6 h s d ( h i g hs p e e dd i r e c ti 巧e c t i o n ) 柴油机【2 3 】；比 利时l m s 公司、奥地利a v l 公司将有限元分析技术应用到实际的工程设计中，借助其 强大的分析能力，在确定缸体激励力方面取得了重大进展，使通过计算机模拟得出动态 响应结果同实际情况相当接近【2 引。 美国s a e ( 美国汽车工程师协会) 、美国辛辛那提大学、比利时鲁汶大学等很多研究 机构，对发动机机体的有限元模型的建立作了许多相关研究，并发表和公布了大量的研 究成果1 2 引。 由于某些商业上的原因，国外的企业对其实用的相关数值模型、经验数据、相关关 键技术的细节是高度保密的，而且在分析计算过程中相关问题的解决是长期经验的总 结，特别依赖于大量的基础试验。因此，可以说，国外对柴油机的有限元分析研究方面， 实际上己经非常成熟，甚至于很多柴油机公司己将计算机模拟分析作为其新机型开发设 计流程中必要的手段。 事 国外工程师对柴油机的研究，主要借助于先进的测试手段及各种c a d i c a e 工具， 得出比较精确的分析结果，可用于实践，并且由于国外计算手段的先进，使问题从提出 到解决的时间缩短，能满足生产及市场的需求。而国内的企业和研究所由于资金的匾乏， 难以购置国外那些昂贵的仪器设备，因此利用软件进行设计优化就显得尤为重要。 目前在柴油机设计领域，气缸盖的热力耦合分析及缸体试验模态分析和动态特性的 有限元分析在国内外都已取得了一定的成果。其中用试验模态分析的结果修正缸体有限 元模型的方法，在缸体有限元模型的建立上已得到了实际应用，从而为缸体的动力响应 计算奠定了基础。近年来在这个方向的研究主要集中在缸体模型的精确化和缸体分析边 界条件的确定上，以期改善缸体的动力响应的分析精度。 代秀红等人以z 6 1 1 0 型柴油机缸盖为例，利用三维有限元建模对几个气缸盖方案的 结构强度进行了对比分析，计算了气缸盖的温度场、耦合应力场，其计算结果和试验结 果基本吻合，为柴油机气缸盖的结构设计改进提供了理论依据脚】。段敏等人对 c y 4 1 0 2 b z q 型柴油机气缸盖进行实体建模及强度分析计算，得到预紧工况和爆发工况 的应力分布图，并将有限元计算结果与试验结果相比较，有较好的一致性，证明所建立 的气缸盖有限元模型的正确性，计算和试验结果表明气门导管孔周围的应力较大，进而 提出原气缸盖结构改进方案，并对改进后的气缸盖模型进行了强度计算，计算结果表明 与原气缸盖模型对比，整体应力分布有了较大改善【2 7 1 。洛阳工学院的刘德海曾对z h l l 0 5 喻尔溟i 徉，：宁硕一 ：学位论文 型柴油机的机体做了有限元的模态分析，分别对整机的完整模型及其框架模型进行了自 由模态分析和约束状态下的模态分析【2 8 】；太原理工大学的李俊宝对z h l1 0 5 w g 型柴油 机进行机体振动响应的有限元分析【2 9 】；吉林工业大学的俞明利用有限元分析技术估算了 e q 6 1 0 0 型柴油机机体表面的辐射噪声【3 0 l 。 近十几年来，有限元技术在传热学领域的应用也越来越广，国内许多科技工作者在 传该领域进行了许多有益的研究和探索。郭七一在测量倒拖和着火运行工况下的涡流室 式柴油机主副燃烧室表面上七点的瞬时温度和主副燃烧室的燃气压力的基础上，对通过 燃烧室表面的瞬时的热流密度和燃烧室内气体与壁面之间的瞬时换热系数进行了计算 分析【3 l l ；俞水良探讨了多种参数对气缸内瞬态传热的影响，并对气缸内局部瞬态对流换 热的模型进行了预n t 3 2 1 。杨万里等人采用k - 占湍流模型分析了冷却水套与气缸盖的对流 换热情况；通过热力学模拟并结合试验确定了燃烧室壁面和进排气道的传热边界条件； 将c f d 计算出的对流边界条件影射到气缸盖表面，建立气缸盖热应力分析的边界条件。 求解了两个方案气缸盖的温度场和热应力场，结果显示双火花塞气缸盖的热强度满足设 计要求【3 3 】。 1 2 2 有限元技术的发展趋势 随着数值分析理论的发展和柴油机领域各种新材料新科技的应用，原有的有限元方 法已渐渐不能满足生产的需要。近年来，对柴油机零部件的有限元分析呈现出如下特点： 1 分析更加的精确细致，特别是对于许多小型的零部件采用了非线形模型进行分 析。如左正兴等人对橡胶密封圈超过弹性接触的问题进行了相关研究，对柴油机的o 形 橡胶圈进行多方案的有限元分析【3 4 】；h a r r yw i l l i s 等人对缸套、气缸垫及气缸盖的断裂 失效做了大量工作【3 5 l 。 2 综合考虑了各种因素的影响。在以前单独考虑机械或者温度的基础上，综合考 虑其他零部件刚度的影响和力的传递，如吴昌华对包括机体、活塞、连杆及气缸盖在内 的整机做了相关的研究【3 6 1 。 3 为了解决复杂的零部件和庞大的计算规模对计算机硬件的要求，发展了基于子 结构技术的有限元法。采用对多重子结构进行研究的方法，即利用子结构将离散化结构 中的若干个互相毗邻的单元拼在一起构成一个结构单元，而一个复杂结构可被离散化成 若干个单元和子结构，然后每个子结构又可离散化为若干个单元和子结构。使用这种方 法时，由于把整个结构分成了许多子结构，计算中各子结构的刚度矩阵阶数大大低于整 体结构的阶数，使得每个子结构的出口点数减少，而且各子结构拼装得到的各个层次较 6 第1 芎绪论 高的子结构的刚度阵阶数也明显低于原结构的常规有限元模型，大大降低了问题求解的 计算工作量【硎。 4 在早期的传热学研究中，大多数停留在对单个结构的有限元分析上；如在对待 活塞组与缸套之间传热的问题上，多以稳态传热研究为主。而这些研究方法在当今柴油 机行业发展的要求下，逐渐显露出不足。现代的耦合方法是部分专家在对柴油机工作部 件的内部环境作了深入研究后提出的一种新的研究方法。现代柴油机传热研究的一个重 要方向是把气缸内的气体流动、燃烧、辐射传热、对流传热模型与燃烧室部件整体( 气 缸盖缸套一活塞组) 耦合起来，进行柴油机整体模型传热的仿真模拟。此外柴油机润滑、 密封、优化及高精度理论的有限元研究随着各种基础理论的不断完善也已成为柴油机领 域研究的趋势。 1 2 3 国内外c f d 技术的应用现状 c f d 技术本来就是由先由国外发展起来的，该技术最先用于航空领域，但是现在在 汽车等领域的应用也较为广泛。对于内燃机热状态的模拟，单件零部件热负荷计算已取 得了很大的发展。 2 0 0 2 年s a t h e e s hm a k k a p a t i 等通过进行v 8 发动机冷却水套的试验研究，对c f d 模 拟计算结果进行了验证，建立了试验与c f d 计算之间的联系；并且从试验结果与计算 结果比较中得出结论，c f d 的平均流速以及湍流强度的计算结果与试验数据误差较小 1 3 8 j 。2 0 0 3 年s t e p h e ns h i h 等为了提高发动机的抗爆震性能，利用c f d 软件对一台汽油 机水套进行了模拟计算，采用了不同的冷却水流动方案，取得了令人满意的结果【3 9 1 。j i a n y e 等在2 0 0 4 年对赛车发动机的冷却水套进行了分析研究，并通过优化水孔的尺寸和位 置，提高了水套的整体冷却能力【4 们。 国内对柴油机气缸盖的换热研究起步较晚，但是，从近年发表的各种文献来看，国 内研究人员对柴油机冷却水的流动还是做了不少有益的工作。较具有代表性的有1 9 9 4 年王书义等人发表的文章柴油机冷却水流动的试验研究，作者利用有机玻璃制成实 验模型，采用转子流量计测量水的流速，使用以氢气泡为示踪物的时间线法为基础建立 冷却水流动试验台，基本满足发动机冷却水流动的基础实验研究【4 l 】。 到目前为止，国内研究人员不仪在实际温度的测试方面做了大量工作，还在冷却水 的流动数值模拟计算方面作了很多探索。尤其是在2 0 0 0 年前后，国内学者也对发动机 冷却系统的分析进行了越来越多的研究。如：2 0 0 1 年屈盛官、黄荣华、孙自树【4 2 l 等人 采用流动显形法对某典型增压柴油机气缸盖进行水流分布的实验，得到了冷却水在气缸 7 哈尔浜i 程大宁坝：f ：! t f 7 ：论文 盖中的二维流场。2 0 0 4 年初，董春波【4 3 1 等利用c f d 技术对某型高速柴油机气缸盖水腔 的流场进行分析，指出：增加沿排气道侧和喷油器侧的冷却水流量，冷却效果会更好。 2 0 0 4 年，许振忠、李伟【4 4 】等利用激光多普勒仪测量了c a 4 9 8 气缸盖及机体内冷却水流 场1 2 个关键点处的流体速度，并将实验结果与c f d 计算结果进行了分析比较，发现两 者具有较好的一致性。2 0 0 4 年，屈盛官、夏伟【4 5 】等人对冷却水进行流动试验及c f d 分 析。先采用流量压力测绘法和染色剂法对透明气缸盖水腔的流动阻力和进出水孔的流量 进行研究，对气缸盖水腔设计不合理的地方加以改进；然后用f i r e 软件对改进前后的 冷却水的流动进行数值模拟，得到了冷却水在气缸盖水腔内的三维流动。2 0 0 7 年1 月， 刘永【4 6 】以2 2 6 b 型柴油机气缸盖的冷却水腔为研究对象，根据冷却水腔壁面的温度场判 断出水腔壁面各区域的传热类型并求解出了各水腔壁面的换热系数。2 0 0 8 年，成晓北、 王兆文、黄荣华f 4 7 l 等人针对某型车用柴油机气缸盖出现的热疲劳问题，通过分析柴油机 气缸体、气缸盖内的冷却水的流量、压力、进出水口压力的损失等流动阻力特性和流动 均匀性，改进了原有发动机冷却系统结构上的不足，并通过试验对比发动机气缸盖结构 改进前后的冷却水流的分布情况，为设计开发高效可靠的冷却系统提供了依据，并为发 动机冷却系统的优化匹配和数值模拟计算提供准确的边界条件。 1 3 本论文的工作 柴油机的负荷问题己经成为阻碍柴油机进一步发展的重要原因。热机械耦合分析 对于解决气缸盖等结构的负荷问题具有非常重要的意义，同时又有利于新产品的开发和 原有产品的改进。本文主要利用有限元方法和c f d 方法，以某型柴油机的气缸盖作为 研究对象，进行柴油机气缸盖冷却水腔温度及气缸盖应力方面的计算。从理论模拟计算 和分析等方面展开以下工作： 1 、实体模型的建立 利用三维建模软件p r o e 根据实际的气缸盖图纸建立柴油机气缸盖的实体模型和气 缸盖冷却水腔的实体模型，在建模过程中省略气缸盖外形的小凸台、小倒角等，同时尽 量不修改冷却水腔的模型，尽量真实地模拟实体气缸盖。 2 、气缸盖模型及气缸盖水腔模型的网格划分 在进行有限元分析时，网格的划分至关重要。网格的质量对计算结果的影响很大。 鉴于a n s y s 自带的网格划分功能较为简单，不能满足复杂模型的网格划分要求，故本 文计算中使用专用的网格划分软件h y p e r m e s h 对气缸盖进行网格划分，同时使用 f l u e n t 自带的网格划分软件g a m b i t 对气缸盖的冷却水腔进行网格划分。在网格划 8 弟l 苹绪论 分过程中，应尽量避免模型的失真。 3 、气缸盖的热边界条件的确定 这是耦合应力计算的关键。计算中除冷却水腔外气缸盖各部位的温度及换热系数参 考其他文献及经验公式算得。冷却水腔的壁面温度及换热系数由c f d 计算获取，并且 将计算结果导入有限元模型中，反复迭代，使得两者算出的水腔壁面温度误差趋近于0 ， 得出最终的水腔壁面温度及其换热系数，并确定气缸盖的热边界条件。 4 、气缸盖的热机械耦合分析 根据气缸盖的热边界条件对气缸盖进行温度场计算，然后根据计算所得的温度场对 气缸盖计算热应力。同时，利用力边界条件和位移边界条件计算气缸盖的机械应力，并 在考虑气缸盖各种机械应力的基础上计算气缸盖的热机械耦合应力。 5 、气缸盖结构分析及改进 对上述计算结果进行分析，并根据分析对柴油机气缸盖中结构的不足之处提出适当 的改进措施，包括气缸盖的冷却水腔的结构改进及气缸盖的实体的结构改进。 影、 9 哈尔滨t 稃大学硕仁学位论文 2 1 有限元法概述 第2 章数值研究理论 有限元法将连续的几何体结构离散成为有限个单元，并在每个单元中设定有限个节 点，从而将连续体看作为仅在节点处相连的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点 值作为基本的未知量，并在每一个单元中假设一个近似的插值函数以表示在各个单元中 场函数的分布规律，通过建立用于求解节点的未知量的有限元方程，从而将一个连续域 中无限的自由度问题转化为离散域中有限自由度的问题，在求解得到节点值后可以通过 已经设定的插值函数来确定单元以至整个集合体上的场函数。在有限元的离散过程中， 相邻单元在同一节点上的场变量达到连续，但是未必在单元边界的任一点上连续，所以 在把几何体整体载荷转化为节点载荷过程中，只要考虑单元总体平衡，而在单元内部和 边界则上不用保证每个节点都满足控制方程。 有限元法的基本思路是“化整为零，积零为整 ，求解步骤如下： 1 ) 建立求解域并将茸亨散为有限个单元，即将连续体问题分解成由节点和单元等 组成的个体问题； 2 ) 假设代表单元物理行为的函数，即假设代表单元解的近似连续函数： 3 ) 建立单元方程； 4 ) 构造单元整体刚度矩阵； 5 ) 施加边界条件、初始条件和载荷； 6 ) 求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果； 7 ) 得到其它重要信息。 2 2 热分析理论 2 2 1 稳态温度场 傅立叶定律是导热理论的基础h 8 1 1 4 9 1 。傅立叶定律向量表达式可写为： 口：一名娑( 2 1 ) o n 其中， g 为热流密度，是一个矢量，即单位时间内通过单位面积流过的热量，单位为w m 2 ； 旯为物体的导热系数，计算中做常数处理，单位：w ( m - 豳； 以为单位法向向量； 1 0 第2 帚研究理论依据 i lr i t ti i i 宣i i i i i i i i 宣i i i i 萱i 宣i i i i i i i 宣i | o ，r 为在即方向上的温度梯度； 舀行 负号表示热量传递方向为指向温度降低的方向。式( 2 1 ) 在数学场论中利用梯度和散 度的向量形式来推导导热微分方程式非常地方便，它的分量形式是： ( 2 - 2 ) 从式( 2 2 ) 中可看出当梯度分量罢的方向与x 轴方向相反( 罢为负值) 时，可得吼为 正值，说明吼与x 轴是同方向的：反之，当与x 轴同方向时，吼得负值，即热流方 向与x 轴方向相反。 根据传热学的基本原理，传热中遵循能量守恒定律则可得固体导热微分方程如下： 百a t 训窘+ 窘+ 争- i 昙( 2 - 3 ) 一= 口l - + = - + j a t、瓠z 却2 娩pc o 七 口= c p ( 2 _ 4 ) 其中， 口为材料的导温系数，单位为m z s ； c 为材料的定压比热，作常数处理，其单位为：j ( k g ) ； 国为材料的内热源强度，作常数处理，其单位为w 恤。 如果固体处于绝热状态，此状态下的固体温度称为绝热温升，可记为9 ： 望：旦(2-5) 0 t c o 将式( 2 5 ) 代入式( 2 3 ) ，则热传导方程可以写成： 口c 窘等+ + 詈一署= 。 p 6 ， 口矿+ 萨+ + 百一百。0 ( 2 击) 如果物体在z 方向上无温度变化，即娶：o ，则该物体的温度场可转化为平面问题， 热传导方程可简化为： 玎一劫订一砂订一如 力 力 力 一 一 一 = = = r y = g g g 口( 宴+ 宴) + 塑一望：0( 2 7 ) 口( 万+ 萨) + 而一百。 ( 2 - 。7 ) 在经过长期的热交换后，温度不再随时间而变化，即： 百o t = 詈= 0 ( 2 - 8 )a t8 t 这种不随时间变化的温度场就是稳态温度场，根据式( 2 6 ) ，热传导方程可简化为： 篆+ 篓0 2 v + 罢0 z = 。 ， 苏2 2 。2 。 卜77 2 2 2 温度场的三类边界条件和初始条件 热传导方程建立了温度与时间、空间之间的关系，但满足该热传导方程的解有无限 个，为了确定固体热传导微分方程的唯一解，了解固体内部真实的温度分布，必须附加 固体的边界条件和初始条件。在一般的描述中将边界条件和初始条件统称为定解条件， 将之与固体导热微分方程联立求解即可得固体内部的温度分布。 边界条件是固体表面与周围介质相互作用的规律。在求解各类温度场的分布问题 时，可将常见的边界条件归为三类【5 0 】： ( 1 ) 第一类边界条件固体表面温度是时间f 的函数。此类边界条件中，最简单的典 型例子就是固体边界温度为某一常数，即t w = c ，但大多数情况是指物体边界上的温度 函数为已知，将该物体边界设为边界b ，则在边界b 上： t = 以( x ，y ，z ，f ) ( 2 1 0 ) ( 2 ) 第二类边界条件固体表面与流体( 如空气) 接触时，通过固体表面的热流密度与 固体表面温度丁和流体温度之差成正比，将固体表面与流体接触的表面设为边界c ， 则在边界c 上： 彳罢l + 五娶o + 五娶乞：一f l ( t r c ) ( 2 - 1 1 ) 戗钟。o z 其中，为表面放热系数，单位为k j ( m h ) ；厶、厶为边界表面向外发现的方向余 弦。 当专时，由上式t - t c = o ，即弘乃，此时退化为第一类边界条件。 ( 3 ) 第三类边界条件与物体表面相接触的流体介质的温度乏和表面放热系数为 已知，第三类边界条件用公式表示为： 1 2 以娑= f l ( t 一乏)( 2 1 2 ) 其中，与乏可以是常数，也可以是某种随时间和位置变化的函数。若与乙不 是常数，在数值计算中则可分段取其平均值，仍将其作为常数。 初始条件即在初始瞬时固体内部的温度分布规律，用下式表示： 当f = 0 时：t = 沙( x ，y ，z ) 2 3 气缸盖冷却水腔传热理论 2 3 1 控制方程描述 在自然界与各工程领域中，流动与热交换现象表现的形式多种多样，而所有这些过 程都受最基本的3 个物理规律的支配，即质量守恒、动量守恒和能量守恒定律。 ( 1 ) 质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 单位时间内流体微元体中质量的增 加，等于同一时间内流入该微元体的净质量。 可用方程表示为： o 害+ 掣+ 掣+ _ a ( p w ) ：0 ( 2 - 1 3 ) a t a ) c a va z 对于不可压缩流体，其流体密度p 为常数，则可将质量守恒方程简化为： ! 了a ( o u ) + 掣- i - 掣：0 ( 2 - 1 4 ) ( 2 ) 动量守恒方程( m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) ：微元体中，流体的动量对时间 的变化率等于外界作用在该微元体上的各种应力之和。 u 动量方程 掣+ 了a ( m u ) + 掣a r 掣：每冬+ 冬+ 冬+ e ( 2 - 1 5 ) 西叙 却 瑟苏苏 却 瑟 1 v 动量方程 _ a ( p v ) + a ( p v u ) + _ 8 ( p v v ) + 一c x p v 缈) ：一望+ 堡+ 堡+ 堡+ f ，( 2 - 1 6 ) a ta ) c 却 a z 西 瓠 却 砚 y w - 动量方程 。a ( p w ) + _ a ( p w u ) + o ( p w v ) + a ( p w w ) ：一望- i - 坠+ 堡+ 堡+ f ( 2 1 7 ) 文瓠 两 a za z融 巩 芘 z、 1 3 嗡刃：绠j 样犬甲坝一仁甲何伦又 其中，p 是流体微元体上的压力；k 、是由于分子的粘性作用而产生的作用在 微元体表面上的粘性应力的分量。c 、e 、e 是微元体上的体积力，若体积力只有重 力，且z 轴竖直向上，则c = 0 、e = 0 、e = 一p g 。上述动量守恒方程对任何类型的 流体都成立，对于牛顿流体，粘性应力与流体的变形率成比例，有： 纠瓦0 u “隆考+ 割 ( 2 - 1 8 ) 砀嘶降考+ 割 p 科茅+ 旯考+ 剖 p 2 。， = = 争塞) p 2 ， 吃= 吃= ( 罢+ 老) 陋2 2 ， 2 勺= 争老 p 2