（热能工程专业论文）柴油机气缸盖热—机械强度有限元分析.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c a d is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so f t h e r m a l i n t e n s i t ya n d m e c h a n i c a ls t r e n g t hf o r c y l i n d e rh e a d o fad i e s e le n g i n e c a n d i d a t e ：w a n gc h e n s u p e r v i s o r ：p r o f z h o us o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e ci a lit y ：t h e r m a le n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m is s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 1 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。d 作者( 签字) ：夕尺 日期：夕9 d 年多月p7 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。炒密学位论文待解密后适用本声明。 本论文吲在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：夕壤 日期： 删c 年歹月日 导师( 签字) ：) 憩拟 别。年歹月乒7 日 哈尔滨t 稗大学研究生毕业论文 于两姜 气缸盖是内燃机中形状最复杂的主要零件之一，它与活塞顶及气缸内壁 共同组成燃烧空间。气缸盖的工作条件非常恶劣，承受着气体作用力和气缸 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 温度很不均匀，气缸盖承受很大的机械应力和热应力。 正确分析缸盖的温度场、耦合应力场，及疲劳寿命是缸盖结构设计和改 进的依据，利用有限元法可以缩短缸盖设计周期，降低成本。 本文对某型柴油机气缸盖进行了有限元分析。用p r o e n g i n e e r 建立气缸 盖的实体模型；利用h y p e r m e s h 软件对建立的气缸盖实体模型进行网格划分， 建立了有限元分析模型；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，并用上述结果进行了缸盖寿命分析。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焰面鼻梁区以及气门座圈与缸盖接触区域应力较 大，这些区域在设计缸盖时应重点考虑，同时各种力的综合作用使得鼻梁区 的应力、变形都处于高的水平，容易发生疲劳损伤。本文的工作可为研究缸 盖结构设计和改进提供一定的参考。 关键词：气缸盖；温度场；应力场；疲劳寿命 哈尔滨丁稗大学研究生毕业论文 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 n i n t e r n a lc 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 o f o r mc o m b u s t i o nc 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 t o nc y l i n d e rh e a d ，a n di t st e m p e r a t u r ei su n e v e nc l u et ot h e e f f e c to fw o r k i n g m 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 rj 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 h m e c h a n i c a la n dt h e r m a ls t r e s s e s i ti st h eb a s i so fs t r u c t u r ed e s i g na n dm o d i f i c a t i o nt oa n a l y z et e m p e r a t u r ef i e l d a n ds t r e s sf i e l do fc y l i n d e rh e a dc o r r e c t l ya n df u r t h e ra n a l y s i so f f a t i g u el i f e 。t h e d e s i g ni st i m e s a v i n ga n dc o s t - e f f e c t i v eb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d 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 s a l ei n t r o d u c e dt os o l v et h ep r o b l e m t h em o d e lo fc y l i n d e rh e a di sm a d eb y p r o e n g i n e e rw h i l e i t se l e m e n t sa l em a d eb yh y p e r m e s h t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o di su s e df o rt h ec y l i n d e rh e a dt ot h ef i n i t ed e m e n ta n a l y s i s t h e t 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 l 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 l ec a l c u l a t e dt o o f i n a l l y , i t sf a t i g u el i f ew i t ht h eo u t c o m eo ft h ea p p e a li sa n a l y z e d ，a n daw a y w h i c hc a r li m p r o v et h es t r u c t u r eo f c y l i n d e rh e a di sp r o p o s e d t h es t r e n g t ha n a l y s ei so fc y l i n d e rh e a di sc a r r i 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 lc o u p l i n gl o a d s t h er e s u l ts h o w st h a tt h eh i g hs t r e s sz 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 st h a ts 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 l d e s i g n f i n a l l y , t h el o wc y c l ef a t i g u el i f eo f t h ec y l i n d e rh e a di sp r e d i c t e d f i n a l l y , as i m p l er e v i s e ds c h e m ei 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 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 ；s t r e s sf i e l d ；f a t i g u el i f e 、 i 哈尔滨t 程大学研究生毕业论文 目录 第1 章绪论1 1 1 概述l 1 2 内燃机结构强度研究目的及意义2 1 3 结构强度的发展现状与趋势6 1 3 1 国内外发展现状6 1 3 2 国内外发展趋势j 1 l 1 4 本课题的研究内容及具体工作1 2 第2 章结构强度及热分析的理论基础1 3 2 1 有限元法概述1 3 2 2 热分析的理论基础1 3 2 2 1 热分析的类型1 4 2 2 2 稳态温度场1 5 2 2 3 温度场的三类边界条件和初始条件1 7 2 3 弹性力学有限元分析基本理论1 8 2 3 1 点应力状态1 8 2 3 2 应变一位移方程1 9 2 3 3 应力一应变方程1 9 2 4 热弹性理论2 0 2 4 1 热应力分析理论：2 1 2 4 2 热弹性理论的基本方程2 2 2 4 3 热应力的求解一杜哈梅尔相似定理2 5 2 5 热一结构耦合理论2 8 2 6 本章小结2 9 第3 章气缸盖有限元模型的建立3 0 3 1 某型柴油机介绍3 0 3 2 气缸盖三维实体模型的建立3 1 3 3 气缸盖有限元模型的建立3 3 3 3 1h y p e r m e s h 划分网格3 3 3 3 2 缸盖的有限元模型3 4 3 4 本章小结3 6 第4 章气缸盖的有限元分析3 7 4 1 气缸盖的热边界条件的确定3 7 4 2 气缸盖的应力分析4 l 4 2 1 位移边界条件的确定4 1 哈尔滨t 稗大学研究生毕、l 止论文 4 2 2 力边界条件的确定4 l 4 3 气缸盖的温度场和应力计算及结果分析4 2 4 3 1 温度场的计算结果及分析4 2 4 3 2 热应力场的计算结果及分析4 5 4 3 3 机械应力场的计算结果及分析4 9 4 3 4 气缸盖热一机械耦合应力场计算结果及分析5 0 4 3 5 气缸盖破坏原因分析5 5 4 4 气缸盖的改进建议及计算验证5 5 4 5 本章小结6 0 第5 章多维应力状态下高温低周疲劳寿命分析6 l 5 1 热疲劳与高温低循环疲劳6 1 5 2 高温对低循环疲劳的影响及寿命预测6 2 5 3 引入频率修正法计算高温低周疲劳寿命6 5 5 4 总体寿命评价结果6 5 5 5 本章小结6 7 结论6 8 参考文献7 0 攻读硕士学位期间发表的论文7 5 致谢7 6 哈尔滨t 稗大学研究生毕业论文 第1 章绪论 1 1 概述 内燃机是一种将燃料的化学能转变成热能，再由热能转变为机械能的动 力机械。这种能量转换是燃料在气缸中与空气充分混合从而进行燃烧，产生 高温高压的工作气体，推动活塞、连杆、曲轴等运动部件，从而使燃料的化 学能转变成机械能向外做功。 柴油发动机作为一种常用的热能动力机械，在启动、稳态运行以及交变 负荷工作过程中承受相当高的机械负荷与热负荷作用，因此柴油机必须满足 可靠性、耐久性、经济性等方面的要求。近年来随着科学技术的不断发展， 内燃机逐渐向低油耗、大功率、高性能等方向发展，气缸盖体积也有适当加 大的趋势，出于提高功率重量比的目的，一些高强化柴油机往往采用铝合金 材料来制造【l 】。但是，随着内燃机强化程度的不断提高，其热负荷也随之增 加。内燃机的热一机负荷在很大程度上决定着发动机的经济性和可靠性，从 这两方面综合考虑，燃料燃烧释放的热量越多，冷却与排放带走的热量越少， 热损失就越小，发动机效率就越高。但零件的强度等性能往往随着温度的升 高而下降，如果超过其所能承受的限度，就极易产生裂纹、烧熔等严重问题， 使发动机不能可靠工作，缩短使用寿命【2 】。 随着柴油机的输出功率越来越大，原有结构已无法保证柴油机的可靠性 要求，尤其是在与火焰接触的缸盖的底板鼻梁区，承受特别高的温度和应力。 高温不但可以降低材料的强度等性能，而且还造成很大的热应力。在这种频 繁的热应力的反复作用下，往往形成热疲劳裂纹，造成气缸盖破坏。以往常 采用改变材料来提高其可靠性，但这只适用于强化度较低的发动机，对高强 度的发动机仅靠改变材料来提高可靠性是不够的，还应对气缸盖结构本身做 相应改进来提高其热一机械性能【3 】。因此，计算分析内燃机受热零件的温度 场，对气缸盖的热一机械强度进行有限元的分析是十分必要的，可以为设计 和改进零部件、控制热负荷提供一定的依据。 哈尔滨t 程大学研究生毕、l k 论文 内燃机零部件设计已经发展到采用包括有限元法、优化设计、动态设计 等现代先进设计技术在内的计算机分析、预测和模拟阶段。有限元法是最有 效的数值计算方法之一，它使人们对零部件关键参数的理解和设计更进了一 步 4 1 。由于使用虚拟模型，从而使设计周期更短，费用更低，质量更高。有 限元技术在内燃机零部件设计中的广泛应用，提高了设计的可靠性，优化了 结构，缩短了设计周期，降低了设计成本。 在有限元分析的过程中若考虑两种或者多种因素的交叉作用和相互影 响，则需要进行耦合场分析 5 1 。例如：压电分析考虑了结构和电场的相互作 用，它主要解决由于所施加的位移载荷引起的电压分布问题，反之亦然。其 它的耦合场分析还有热一机耦合分析，热一电耦合分析，流体一结构耦合分 析，磁一热耦合分析和磁一结构耦合分析等。耦合场分析的方法取决于所需 解决的问题是由哪些场的耦合作用，但总体来看，现阶段有限元耦合场的分 析最终可归结为两种不同的方法：直接耦合方法和顺序耦合方法。本文采用 顺序耦合法进行有限元分析，顺序耦合解法是按照顺序进行两次或更多次的 相关场分析。它是通过把第一次场分析的结果作为第二次场分析的载荷来实 现两种场的耦合的。例如顺序热一机耦合分析是将热分析得到的节点温度作 为“体力 载荷施加在后序的应力分析中来实现耦合的【6 j 。 1 2 内燃机结构强度研究目的及意义 在现代工业中，特别是在航海航天和交通运输等领域的许多工程结构中， 如内燃机、蒸汽机和燃气轮机等，受役于高温高压的工作环境中，承受着高 温交变载荷，一般说来，材料在高温下由于受热导致强度降低，其各种性能 也随之降低。但是随着现代科学技术的飞速发展，材料的高温力学性能逐渐 增长的同时，对整个系统结构的安全性和使用寿命的要求也在不断提耐7 1 。 柴油机也是一种工作时承受高强度热负荷和机械负荷的热能动力机械， 柴油机的热负荷分析可以分成两种情况：一是稳定工作状态下的准静态热负 荷分析；二是柴油机在启动、停机、变工况及瞬态循环工作过程的动态热负 2 哈尔滨t 程大学研究乍毕业论文 荷分析。 缸盖是柴油机中结构最复杂、机械负荷及热负荷最高的零件之一，在柴 油机运行过程中缸盖经常暴露出由于刚度或强度不足引起的许多问题，稳定 运行时气缸盖既承受着气缸盖螺栓的预紧力以及气阀座圈过盈装配力的作 用，还承受着气缸内燃气的压力作用，这些力造成气缸盖较高的机械应力分 布。同时气缸盖承受着气缸内燃气的高温作用，且气缸盖各部分的温度分布 极不均匀，缸盖底面燃烧室面( 火力面) 处温度很高，进、排气道的温差相对 较大，而其它地方的温度则相对较低，这样造成气缸盖的热负荷条件十分严 酷。特别是由于高温和温度分布不均匀产生的热应力的反复作用极易在火力 面上形成热疲劳裂纹，尤其是在进、排气阀之间( 鼻梁区) 。而且实践表明柴 油机在启动、停车或变工况等非稳定工作条件下，其热负荷更加严重，将承 受比稳定运行时大得多的热应力。 一项对于柴油机缸盖的热负荷分析表明，其热应力比机械应力高十几甚 至几十倍【8 l 。例如：柴油机燃烧室零部件由于快速启动以及各种应急工况经 常破损，其主要原因是热疲劳。同时，如果气缸盖受热时引起的变形过大， 会影响与气缸的接合面和气阀座接合面的密封，加速气阀座的磨损，产生气 阀杆“咬死，甚至造成漏气、漏水和漏油等现象，使内燃机无法正常工作。 如何综合考虑各种因素影响，在温度场及热应力的基础上综合考虑各种机械 应力的作用也成为目前柴油机设计的热点。 气缸盖处在极为苛刻的条件下工作，安装时施以较大的预紧力，工作时 承受爆发压力，而且还承受较大的热负荷，相应产生机械的脉动应力和热应 力，局部区域将出现塑性变形。冷却水的腐蚀将加速气缸盖的损坏。设计、 工艺和使用的每个环节对气缸盖的寿命都有很大的影响。在分析损坏原因时， 往往发现是由多种因素的综合影响。因此分析损坏的原因是一个复杂而细致 的工作【9 1 。现在，人们已经了解到柴油机气缸盖在气阀孔之间的火焰面处可 能会产生裂纹。大多数内燃机专家对这种裂纹产生的主要原因有一致的看法， 裂纹的产生机理可归因于“热疲劳 和“压缩蠕变 3 哈尔滨t 程大学研究乍毕业论文 柴油机气缸盖破坏的原因大致如下： 一、缸盖的热疲劳损坏 柴油机缸盖一般是铸铁做成的。在其气缸盖的火力面上，即有轴向热力 梯度，又沿径向方向有热力梯度。火焰面的温度梯度是由于气缸盖的活塞上 方部分直接接触燃烧气体，而周围部分或者接触发动机冷却液，或者在与燃 烧室有一定的距离处经过气缸盖垫片与发动机机体接触。这样热流沿径向和 轴向外传出，导致了从热的中心沿轴向和径向向外递减的温度梯度。气缸盖 周围的较冷部分起着制约作用，使火焰面上的压缩应力增加，当这些应力很 大时，则会引起塑性变形。这种变形若持续作用一定的时间，就可能会出现 蠕变。在发动机停车或者负荷显著变化后，当温度逐渐变的均匀时，应力状 态变为反向，火焰面上的底平面产生残余应力。这种变化在材料内产生热疲 劳( 属低频性质) ，因而在火焰面的危险区域( 进排气阀孔之间和喷油孔与进 气阀之间) 出现裂纹。因为此处的应力值最大，并且该区域本身结构较薄， 受各种力的作用且温度最高，而且受到的燃气的爆发压力为交变载荷，因此 该区域变形较大，最容易形成疲劳破坏。 二、缸盖的机械疲劳损坏 柴油机缸盖火力面在工作中不断受到气体爆发压力的周期性机械冲击作 用，而且这种冲击力往往是很大的。这样大的机械冲击力作用于缸盖火力面 上，使底板材料又会发生机械冲击疲劳。而且这种机械冲击疲劳破坏与柴油 机的转速和各缸供油量有关。螺栓孔周围虽然应力值也较大，但由于该区域 温度及受力情况比较稳定，因此出现裂痕的机率较鼻梁区小。 三、缸盖的腐蚀损坏 柴油机的冷却水中会含有不同的杂质和溶解于水的氧，它们会电解成各 种离子。这些离子对气缸盖底板内壁会有电离作用，对底板腐蚀；缸盖冷却 水也会因过热而产生蒸汽，蒸汽对缸盖壁面也有腐蚀作用。这些腐蚀作用的 结果会使缸盖冷却水壁面材料剥落，厚度逐渐减小或产生蚀坑、孔洞，使其 底板强度、刚度下降，在机械应力和热应力的共同作用下发生疲劳而出现裂 4 哈尔滨t 程大学研究生毕业论文 纹，造成缸盖火力面的开裂。目前，虽然有很多设计及工艺的经验和试验手 段，但对气缸盖这样的结构和受力状态都很复杂的部件来说，要取得结构性 能方面的全面、详细、准确可靠的论证分析仍然是非常困难的工作。为了使 柴油机气缸盖工作可靠，查明气缸盖工作时的温度场进而分析其热应力是极 其重要的一项工作。 高温下使用的零部件往往是循环热应力、循环机械应力、循环蠕变、松 弛、腐蚀、磨损等损伤因素同时并存的综合疲劳损伤问题。所以在实际工程 中，热疲劳是指在多损伤因素影响下，以循环热应变、热应力疲劳损伤为主 的疲劳问题，即广义热疲劳问题。热疲劳是由循环热应力引起的，热应力又 是材料在变温下热胀冷缩受约束而引起的。要通过试验研究热疲劳问题，就 是要精确控制热应力的循环参数，如热应力幅值、热应力循环频率、热应力 加载速度、热应力保持时间、热应力卸载速度、平均热应力等。要精确控制 这些热应力特性参数，就要精确控制零部件的温度循环参数和热应变( 膨胀) 的约束状况。而两者的控制都是很困难的，至少目前还达不到较精确的水平， 特别是对热应变的约束状况。温度与力和转矩不一样，不能直接施加，只能 通过改变环境条件( 如环境温度、冷却介质流速及换热系数等) 或通过改变 热流( 如高频感应加热功率) 来间接施加，施加的精度很难控制。而对热应 变约束的较精确控制目前几乎是不可能的。对热应变的约束有两种：一种是 外部施加的约束，这种约束在一定的条件下，能较好控制；另一种是内部约 束，零部件内部存在温度梯度、材质不均、不同热膨胀系数材料的组合等都 可能引起严重的内部约束，进而引起应变集中。另外，一旦零部件内部出现 塑性变形，特别是出现裂纹，内部约束的状况将发生很大的变化。而这种变 化的规律也很难研究和控制。试件的热疲劳试验相对于机械疲劳试验要困难 的多，一般是通过对严格控制外部约束试件的加热和冷却来获得循环温度、 循环应变、循环应力及最终引起的疲劳破坏。由于上述原因，试件结果很难 精确总结，所得的结果用于实际设计误差也很大。因此，对实际零部件做热 模拟与热疲劳试验更具有必要性和实用价值。但是，实际工作中受到条件、 5 哈尔滨下程大学研究牛毕业论文 技术等客观因素影响，做大量的模拟实验是难以实现的。 为解决这些问题对缸盖进行强度分析，进行适当的疲劳寿命分析就显得 尤为重要。随着科学技术的发展，各种软硬件的不断进步。长期以来柴油机 研究设计人员盼望在柴油机的设计过程中能预知所设计气缸盖的结构可靠 性，或对气缸盖己发生的裂纹等故障有一个正确的分析结论。有限元技术及 相应发展起来的应用软件为科研工作人员提供了巨大的帮助。有限元法可以 对变载部件进行强度分析，从而提出合理的改进意见和建议，也可用计算代 替部分昂贵的实验。为此节省了大量的人力、物力、财力，也可以大大的缩 短研制工作的进程。所以运用气缸盖三维有限元计算分析无疑是当前解决上 述问题的最好方法。 本论文所研究的柴油机是某厂新型换代产品，为了保证内燃机工作的可 靠性及耐久性，在缸盖设计中，除必须考虑重要表面的尺寸，几何形状及相 互位置等，并对其提出很严格的公差要求外，还必须对缸盖的强度、刚度进 行考虑，因为缸盖与机体连接，其强度与刚度直接关系到机体是否能可靠的 工作。如能在设计阶段保证缸盖的强度和刚度，就可以提高整机的可靠性， 这将产生带来巨大的经济效益和社会效益。 1 3 结构强度的发展现状与趋势 1 3 1 国内外发展现状 结构强度的计算理论发展到现在，已经进入一个新的时期：既考虑到材 料的力学指标( 强度) 的随机变异，又考虑到外界载荷的随机变异；既考虑到 结构的内力( 包括内力重分配) ，又考虑到截面的应力分布( 包括弹塑性应力分 布及蠕变影响) ；既考虑到动载荷的疲劳、冲击，又考虑到结构的重要性、破 坏状态( 延性一塑性，脆性) 、制造工艺、工作条件；同时还考虑到其他一些 难于统计的，但也影响结构强度、稳定和刚度的因素。然后用统计数学工具， 分析结构的强度变异，从而确定出安全度和安全系数。由此可见，强度( 或承 载力) 是结构设计计算的一个重要和主要方面。在应力概念确定之前，没有材 6 哈尔滨t 程大学研究牛毕业论文 料强度的概念，只有结构强度的提法，而结构强度是泛指结构的承载能力( 破 坏的危险状态) ，其中包括失稳的临界载荷、极限载荷( 屈服载荷或破坏载荷) 。 内燃机热负荷和热强度问题的解决常常是提高内燃机技术水平的关键， 它直接影响到内燃机耐久性、可靠性和经济性。要有效地解决好这个问题， 就要研究零件的热负荷及其基本规律，到目前为止影响内燃机热负荷的规律 尚未被人们全部掌握，在实测技术上也需进一步发展。因此，深入开展这方 面的研究是有实际意义的，根据国内外目前在该领域所进行的工作大致有如 下几方面：( 1 ) 对受热零件温度的测量，这不论在了解零件的温度场，还是 在传热研究方面都是十分重要的，是研究热负荷的基本手段，目前对零件稳 态温度的测量，已有比较成熟的方法，今后在这方面的工作主要是进一步提 高测量精度，使测量方法简便，以及开展遥测和激光测温等新方法的应用， 对零件瞬态温度的测量，国内已经开始研究和应用；( 2 ) 研究运转因素和结 构因素对热负荷的影响及其规律；( 3 ) 气缸内传热规律的研究，它包含气缸 内气体流动的变化规律和流场的分布；各种不同类型的发动机气缸内供油量 和热流量的关系；燃气和燃烧室壁面间换热系数的确定，换热系数的计算公 式可以说至今都还停留在半经验状态，现有的公式都有一定的局限性；( 4 ) 热应力的实验分析和计算；高频、低频热疲劳的研究和计算；( 5 ) 对受热零 件喷涂陶瓷层和采用陶瓷材料制成整体零件的研究等。 气缸盖用于密封气缸的顶部，与活塞顶及气缸内壁共同组成发动机的燃 烧空间。在发动机工作过程中，气缸盖在承受大的机械负荷，如( 螺栓固紧 力、燃气爆发压力) 的同时，还存在高的热负荷，是发动机中工作条件最为 恶劣的零部件之一。气缸盖的强度可靠性问题一直是发动机设计中的关键课 题，而温度又是影响气缸盖可靠性最重要的因素之一。因此，研究应用热一 机耦合工况下气缸盖应力分布规律是研究气缸盖强度可靠性的重要工作。 金属高温强度研究是随着蒸汽轮机、燃气轮机、喷气发动机和高压容器 等工业装备发展需要而发展起来的。如果说金属高温力学在1 9 世纪后期是以 高周应力疲劳，2 0 世纪初期是以高温蠕变为特征的话，2 0 世纪下半叶以来人 7 哈尔滨t 程大学研究乍毕业论文 们开始关注高温低周疲劳的研究。一般说来，金属材料在高温下由于受热、 原子发生移动导致强度降低，出现各种与室温下不同的现象。因此材料的高 温疲劳特性，寿命评价等基础研究必须进行。高温疲劳问题总的来说包括如 下几种：时间相关疲劳、低周疲劳、蠕变裂纹扩展、热疲劳、高低周复合疲 劳。高温金属材料的时间相关疲劳是复杂的综合现象，有蠕变、疲劳、应力 腐蚀三个因素，包括裂纹萌生和裂纹扩展两个过程。低周疲劳主要研究应力 或应变集中区在循环载荷作用下的应力一应变行为，并估算宏观裂纹寿命的 一种方法。蠕变裂纹扩展是由扩散和变形控制的两个或者更多对抗过程的动 力学平衡引起的。热疲劳是由于温度变动所产生的热应力的循环变化导致材 料破坏的现象。高低周复合疲劳是真实载荷条件所造成的疲劳简化，较单一 循环疲劳更接近构件的工作条件。 我国对柴油机传热的研究起步于上世纪7 0 年代，由于当时计算机技术的 局限，使得内燃机的结构和传热过程简化。且大多研究的是二维稳态温度场。 9 0 年代至今，柴油机的传热研究逐步向三维发展。 窦慧剩1 0 l 等在经验设计的基础上，利用有限元分析了气缸盖的温度场和 疲劳安全系数，并进行了气缸盖测温和发动机可靠性试验，优化设计了重型 柴油机的气缸盖。 廖日东等】采用相关软件，在气缸盖稳态温度场计算的基础上，重点研 究不考虑材料特性变化时气缸盖的温度应力分布规律；高温下，材料特性的 变化对温度应力、机械应力、综合应力分布的影响规律。 2 0 0 5 年，陈立锋等【1 2 】利用有限元法，对国外某柴油机单体式气缸盖在机 械负荷及热机械耦合下进行强度分析，得到在不同工况下的应力分布规律。 2 0 0 4 年，刘金祥【l3 】等对6 1 1 4 柴油机缸盖进行了温度场，预紧工况机械 应力，爆发热耦合应力的计算分析，确定了各影响因素在缸盖上造成应力集 中的主要位置。 2 0 0 6 年，李春玲t 1 4 】对气缸盖进行换热分析，换热边界条件考虑详细，得 出较为准确的温度分布并计算了热负荷。 8 哈尔滨t 程大学研究乍毕业论文 2 0 0 8 年，李成林【l5 j 对l j 4 6 5 q 2 a 型汽油发动机的缸盖结构有限元分析 及主要部件热分析。 2 0 0 9 年，刘洁【1 6 】对柴油机铝合金气缸盖进行了水腔流场，多场耦合强度 以及低周疲劳寿命分析。 2 0 0 9 年，孙砀等【1 7 】人对柴油机整体式气缸盖的机械和热负荷有限元分 析，探讨了有限元网格模型的离散误差、紧固螺栓对气缸盖作用的不同仿真 方式及气阀座圈过盈配合量对分析结果的影响，得出了对提高气缸盖有限元 分析精度具有实用价值的结论。 我国于1 9 5 7 年开展了高温低周疲劳和热疲劳试验研究，7 0 年代后期又 开展了高温低周疲劳、时间相关疲劳、高低周复合疲劳与蠕变裂纹扩展研究， 包括测试技术、试验方法、寿命预测及影响因素等诸方面，比较注意高温强 度研究与工程实际的结合，所以研究水平日益接近国际先进水平。 2 0 0 2 年，陈飞等【1 8 】人通过试验分析了在多维应力状态下的材料高温低周 疲劳寿命。 2 0 0 6 年，杨英掣1 9 1 人对某型重载机车柴油机活塞可靠性关键技术的研究 与应用。 2 0 0 7 年，毛金龙【2 0 】对某型柴油机气缸盖的鼻梁区进行了结构改进分析， 并进行了相应可靠性寿命计算。 2 0 0 8 年，胡定云，陈泽忠掣2 1 1 对某柴油机气缸盖用雨流计数法进行了疲 劳可靠性分析。并进行了疲劳试验，、计算结果与试验结果相符。 2 0 0 9 年，夏春晶，刘玉凤等用热一结构顺序耦合分析方法计算了气缸 盖的温度场和应力场，并计算了气缸盖蠕变疲劳寿命预测。 2 0 0 9 年，高岚【2 3 1 采用可靠性分析法中p s n 曲线对c n g 发动机典型零 部件进行了强度计算与疲劳可靠性分析。 在国外的柴油机设计工作中很早就利用了有限元技术，特别是随着计算 机技术及有限元理论及手段的发展，以有限元为代表的结构强度分析技术在 各设计部门起着越来越重要的作用，在高温多轴疲劳研究方面，由于在高温 9 哈尔滨t 程大学研究生毕业论文 多轴载荷下，应力应变关系相当复杂，应力应变曲线也变得相当复杂。尤其 涉及非比例加载时，材料的结构关系建立起来相当困难。有关高温多轴疲劳 寿命预测的模型可分为：建立在损伤累积基础上的模型：这种模型认为， 蠕变损伤和疲劳损伤是两种不同类型的损伤，故材料的总损伤被分为蠕变损 伤和疲劳损伤；同一连续损伤模型：该模型不再区分蠕变损伤和疲劳损伤。 这种方法在拉博诺夫损伤模型的基础上进行了发展，使之能适用于蠕变疲劳 交互作用，甚至适用于多轴加载下的蠕变疲劳损伤计算；损伤率法( d r a 模型，d a m a g er a t ea p p r o a c h ) ：该方法适用于蠕变疲劳交互作用与多轴应力 方面。 1 9 世纪5 0 年代至6 0 年代，德国人a u g u s t w o h l e r 作了很多循环应力作用 下的疲劳试验，提出了洲曲线和疲劳极限的概念。 1 9 5 5 年m a n s o n 和c o f f i n 共同提出了低周循环应变控制的疲劳特性即塑 性应变幅与疲劳寿命之间的m a n s o n - - c o f f i n 关系式，这个式子在学术界占有 重要的地位，不仅成为低周疲劳从定性到定量的转折点，而且奠定了高温低 周疲劳以及时间相关疲劳寿命预测方法的基础。 m a r c e ld i v i s 等【2 4 】人对采用将所有缸盖部件装配上对缸盖进行热分析，并 对是否考虑沸腾的方案进行温度场计算，并与试验进行对比，得出考虑沸腾 的计算方案与试验更接近。 2 0 0 1 年4 月，h a c b i p o b 介绍了针对俄罗斯a 4 9 型柴油机在气缸盖、气 阀、气缸套、水腔、活塞、活塞环上所出现的问题做的分析并总结了为解决 这些问题所采取的结构和工艺措施【2 5 1 。 2 0 0 4 年来自奥地利a v l 公司的f z i e h e r 等【2 6 】人发表在a b a q u s 厍jp 年会 的文章对缸盖的c a e 分析工作进行了全面的阐述，除对缸盖进行流固耦合分 析以外，还进行了沸腾试验，验证b d l 模型l g c h e n 模型与试验结果更接近， 得出了有益的结论。 2 0 0 5 年1 月，美国p a u lf l y n np a t r i c k 采用一个严格的可靠性设计程序对 新型g e v o 柴油机每个系统和部件的可靠性进行了评估。通过将尺寸和强度 1 0 哈尔滨t 稃大学研究生毕、l k 论文 变量与整个环境范围内的工作应力进行比较，保证了关键零部件的可靠性。 在气缸盖的强度和可靠性研究方面，工业发达国家较早地采用先进的计 算分析方法( 如有限元和边界元方法) 和实验方法来研究、设计气缸盖。在发 达国家如美、日等，每年均投入大量的人力和财力进行有关气缸盖的结构强 度和可靠性方面的研究工作，对气缸盖的实验、计算理论研究很多。也做了 大量的台架实验以及整机对比实验，研究结果的实用性很强。这是国外内燃 机使用寿命高且还不断提高的一个主要原因【27 1 。但是，由于气缸盖的强度和 可靠性的影响因素较多，不同的结构、材科、载荷、加工处理方式等对可靠 性的影响都很大，国外公开发表的实验方法、实验数据、评定标准等具体的 数据、参考数据很少，所以这方面的问题需要我们自己去研究探索。 但由于商业上的原因，国外各企业对其实用的相关数值模型、经验数据、 有关关键的技术细节是高度保密的，而且在分析处理过程中相关问题解决是 长期经验的总结，特别依赖于大量基础试验所得。因此，可以这么说，在国 外柴油机的有限元分析研究方面，已经非常成熟。 1 3 2 国内外发展趋势 目前，基于内燃机的多学科耦合研究刚刚开始，随着各学科理论分析及 数值计算在内燃机设计中的深入应用，基于内燃机传热的多学科耦合研究必 然会不断地深入和发展，内燃机传热的整体耦合研究是未来内燃机传热的研 究方向。如何运用内燃机传热整体耦合研究的成果，综合结构分析、流体动 力学等多学科的耦合精确研究必然成为内燃机传热研究的趋势。 虽然在内燃机局部的耦合传热研究中取得了一定的成果。但是内燃机设 计是一个复杂而庞大的多学科耦合研究系统，各学科之间有着密不可分的各 种关系，单从某一学科去研究内燃机热负荷问题是不全面的。现代柴油机传 热研究的一个重要方向是把缸内气体流动、燃烧、对流传热、辐射传热模型 与燃烧室部件整体( 缸盖一缸套一活塞组) 耦合起来，进行整体柴油机模型传 热的全仿真模拟。现代耦合方法是部分专家在对柴油机工作部件内部环境作 深入研究后提出的一种新方法【2 引。在内燃机高速发展的今天，虽然内燃机的 哈尔滨t 程大学研究，斡j k 论文 设计越来越精确。但是，发动机传热全仿真模拟设想的实施难度很大，它依 赖于缸内工作过程和燃烧室部件传热模型的仿真程度、数值计算技术和计算 机技术的发展水平。 1 4 本课题的研究内容及具体工作 l 、本文首先综述柴油机气缸盖强度和可靠性研究的必要性，介绍气缸盖 强度和可靠性研究的主要方法和研究现状，以及国内外在高温低周疲劳强度 方面研究的意义及现状。 2 、利用三维建模软件，依据实际二维图纸建立气缸盖三维实体模型。 3 、考虑各种因素对模型简化，并导入专业软件进行混合网格划分。 4 、运用有限元法对缸盖进行分析，得出稳态温度场、热应力、机械应力、 热一机械耦合应力分布规律。 5 、应用相关理论，对柴油机缸盖进行高温低循环疲劳寿命评价分析。 6 、依据计算结果，分析产品优缺点并提出改进建议，提供给生产部门作 为改进设计的参考。 1 2 哈尔滨t 程大学研究乍毕、呓论文 第2 章结构强度及热分析的理论基础 2 1 有限元法概述 近几十年来，随着计算机的发展，有限单元法是一种十分有效的数值分 析方法。它的数学逻辑严谨，物理概念清晰，易于理解和掌握，应用范围广 泛，能够灵活地处理和求解各种复杂问题。有限元法最初被用来研究复杂飞 机结构中的应力，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机的结合在一 起的一种数值分析技术。被很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力 学等连续性问题。现如今有限元结构分析方法在各种零部件总成的设计中得 到了广泛的应用。类似于像发动机缸盖这种复杂结构，它是发动机十分关键 和重要的性能件，而且缸盖内的水道、油道、气道、水套等结构复杂，精度 要求高，加之其在实际工作情况下受载复杂难以模拟【2 9 】。因此，建立起同实 际状况接近的有限元分析模型，以及有效确定缸盖在各种复杂条件下的边界 条件，而通过有限元法计算出与实际情况相近的应力分析一直是国外在这一 领域的重点，而且有限元分析的范围已经远远超出简单的机械应力研究。 有限单元法【3 0 】的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按 一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进 行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求 解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要持点是利用在每一个单元 内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近 似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数 来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各 个结点上的数值就成为新的未知量( 也即自由度) ，从而使一个连续的无限自 由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过 差值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似 解。 2 2 热分析的理论基础 哈尔滨丁程大学研究乍毕业论文 2 2 1 热分析的类型 热分析的目的是计算在给定边界条件下物体的温度分布，进而求出了由 温度变化引起的热变形和热应力【3 。 1 ) 有限元中的热分析主要有两种：稳态热分析及瞬态热分析。 稳态热分析：如果热能流动不随时间而变化( 系统的净热流率为0 ) ，即 流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量： g 流入+ g 生成- q 流出= 0 ，则系统处于热稳态。在稳态热分析中系统的温度和热 载荷不随时间变化，故稳态热平衡满足热力学第一定律。稳态热分析的有限 元平衡方程为( 以矩阵形式表示) ： 【司 刃= q ( 2 1 ) 式中，【k 】为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； 丁 为节点温度向量； 纠为节点热流率向量，包含热生成。 对于稳态热传递，表示热平衡的微分方程为： 丢( 丸罢) + 丢( 九多) + 鲁( 疋警) + 孑= 。 c 2 力 利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成f 足1 、 t ) 以及 q ) 。 瞬态热分析：瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过 程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。 热存储项的计入将静态系统转变为瞬态系统，矩阵形式如下： 【c 】 于 + 【k 】 r = q ( 2 3 ) 式中，【k 】为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； 【c 】为比热矩阵，考虑系统内能的增加； n