天然气发动机气缸盖热机械强度有限元分析论文.pdf

2 dissertation submitted to hebei university of technology for the master degree of power engineering the analysis of thermal intensity and mechnical strength analysis for cylinder head of a cng engine by li wenpeng supervisor prof li su december 2012 原创性声明原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行研究工作所取得 的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文的研究成果不包含任何他人创作 的 已公开发表或者没有公开发表的作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡 献的其他个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责 任由本人承担 学位论文作者签名 日期 2012 年 12 月 25 日 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内 容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前提下 学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 日期 2012 年 12 月 25 日 导师签名 日期 2012 年 12 月 25 日 河北工业大学硕士学位论文 i 天然气发动机气缸盖热天然气发动机气缸盖热 机械机械强度有限元强度有限元分析分析 摘摘 要要 本文研究的 phaser210tin 天然气发动机是在 phaser230ti 柴油机的基础上改 造开发出来的 通过对天然气发动机进行 500 小时耐久性试验 针对可靠性试验 中出现的气缸盖火力面裂纹等问题及天然气发动机存在热负荷偏大的现象 本文 采用有限元软件 abaqus 对天然气发动机的气缸盖进行了热 机械耦合强度分 析 本文利用 abaqus 有限元软件结合相关试验结果主要进行了以下几方面的 工作 将缸盖的实体模型通过相关软件导入 abaqus 中 并利用试验以及计算 给定边界条件 进行网格划分 完成复杂的前处理过程 通过数值模拟运算求得缸盖的温度场 热应力场 热机耦合场等 计算结 果显示缸盖裂纹产生的原因主要是热负荷较大 缸盖最大应力值产生在缸盖鼻梁 区靠近进气阀处 以及进排气阀中间的区域 其位置与试验中缸盖裂纹所在区域 相一致 从而验证了模拟的准确性 针对影响缸盖温度的各项因素 通过对气缸盖施加不同换热系数和环境温 度对其温度场和应力场进行了较详细的模拟 并对结果进行了分析 根据分析结果 提出可以通过优化进排气道以及燃烧室表面 改进气流等 相关参数 最终达到降低缸盖热负荷的目的 对气缸盖的优化改造提供了指导 在利用 abaqus 软件进行模拟的过程中 针对前处理阶段耗时较长的问题 通过对 python 语言的学习 利用 abaqus 软件提供的相关接口 进行软件二次 开发方面的研究 编写了自动化导入材料数据库以及螺栓模型自动化建立的相关 模块 在实际模拟过程中可以节省大量的时间 取得了良好的效果 关键词 关键词 天然气发动机 热固耦合 有限元 二次开发 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 ii the finite element analysis of thermo mechnical strength for cylinder head of a cng engine abstract the phaser210tin natural gas engine is based on the phaser230ti diesel engine after the transform we conduct the reliability test for 500 hours according to the reliability test we find crack in the fire power face of the cylinder head and the engine reach a high temperature level this paper use the finite element software abaqus to analysis thermo mechanical strength of the cylinder head this topic use abaqus finite element software mainly about following aspects 1 transform the cylinder head entity model to abaqus software through test and relevant software calculation given appropriate boundary conditions mesh the model and finally finish the complicated pretreatment process 2 submit the job and get the temperature field thermal stress field and the coupling field then analysis the results the calculation results show that cylinder head maximum stress value produced in the cylinder head bridge of the nose area near the intake valve its position is the same with the test which prove the simulation results match the practical progress the reliability of the simulation was verified 3 according to the influence of various factors about the temperature of the cylinder head we apply different heat transfer coefficient and environmental temperature on the certain areas and get the temperature field and stress field in detail simulation and analysis the results 4 according to the results considering through the optimization of the inlet and exhaust air duct and combustion chamber surface to improve air and other relevant parameters and finally reach the purpose of reducing the thermal load of cylinder head reaching the purposes to guide the cylinder head for future optimize and reform during using abaqus software to simulate the process the first stage of processing waste lots of time through python language learning using the 河北工业大学硕士学位论文 iii relevant interface made the software redevelopment editted program about the automation import material database and bolt model established automation related module in the actual simulation process it can save a lot of time and obtains good effect key words natural gas engine thermo mechanical coupling finite element method secondary development 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 iv 目录目录 符号说明符号说明 vi 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 天然气发动机的发展现状 1 1 2 内燃机 cae 分析的国内外研究进展 3 1 3 国内外研究的进展 3 1 3 1 国内研究进展 4 1 3 2 国外研究现状 5 1 4 本文的主要研究内容 5 第二章第二章 cng 发动机的开发过程及可靠性试验发动机的开发过程及可靠性试验 6 2 1 单燃料电控喷射 cng 发动机的开发简述 6 2 2 对 phaser210tin 天然气发动机的可靠性试验 10 2 2 1 试验项目及仪器设备 10 2 2 2 试验过程及结果 10 2 2 3 缸内气体压力变化曲线图 12 2 3 试验结果分析 17 第三章第三章 有限元分析的基本理论有限元分析的基本理论 18 3 1 弹性力学的基本概念 18 3 2 弹性力学基本方程 20 3 3 热传导理论和热应力分析 21 3 3 1 热传导理论 21 3 3 2 热应力理论 22 3 4 abaqus 软件及相关介绍 23 第四章第四章 cng 发动机气缸盖的有限元分析发动机气缸盖的有限元分析 24 4 1 计算模型及网格的划分 24 4 1 1 缸盖实体模型的建立 24 4 1 3 缸盖网格的划分 25 4 2 计算边界条件 28 4 2 1 热边界条件 28 4 2 2 受力边界条件 32 4 2 3 位移边界条件 35 第五章第五章 计算结果及分析计算结果及分析 36 5 1 缸盖温度场的计算结果 36 河北工业大学硕士学位论文 v 5 2 缸盖热应力场及分析 40 5 3 热 机械耦合应力及分析 42 5 4 各因素对温度场的影响分析 43 5 4 1 环境温度对缸盖温度的影响 44 5 4 1 表面换热系数对缸盖温度的影响 45 5 5 本章小结及分析 47 第六章第六章 基于基于 abaqus 软件的二次开发软件的二次开发 48 6 1 abaqus 软件开发接口介绍 48 6 2 材料数据库及网格自动化分析的二次开发 49 6 2 1 材料数据库的编译 49 6 2 2 螺栓模型的自动建立 50 6 3 本章小结 52 第七章第七章 全文总结与工作展望全文总结与工作展望 53 7 1 全文总结 53 7 2 未来工作展望 54 参考文献参考文献 55 致致 谢谢 58 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 vi 符号说明符号说明 u 速度 m s t 温度 密度 3 kg m t 时间 s 曲轴转角 ca e 弹性模量 mpa p 压力 pa s 面积 2 m v 体积 3 m 固体导热系数 wm k w q 热流密度 2 w m f k 流体的导热系数 wm k g t 气缸内瞬时燃气温度 k 泊松比 g h 气缸内瞬时换热系数 2 wmk e 弹性模量 mpa 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 根据中国汽车工业协会数据显示 2011 年全国汽车产销数量分别达到 1841 89 万辆和 1850 51 万辆 根据相关资料 截止 2011 年 我国机动车的保有量为 2 25 亿量 其中汽车 超过一亿量 汽车保有量的不断增加带来了严重的环境问题 随着汽车排放法规的要求越来 越严格以及石油等燃料价格的不断上涨 在给汽车行业带来压力的同时 也间接促进了新能 源汽车的不断发展 在 十二五 期间国家将大力推进新能源和节能汽车的发展 以达到优 化产业结构 提高整体竞争力的目的 1 1 1 1 天然气发动机的发展现状天然气发动机的发展现状 近年来 石油等传统能源的价格不断上涨 以及由于汽车保有量不断增加所带来的有害 气体排放等气候污染问题的日益严重 因此控制汽车污染物排放的呼声和要求也日益增加 越来越严格的排放法规的出台对于汽柴油发动机的排放也提出了更加严格的要求 随着国家 开发新能源汽车 西气东输 等战略的实施 天然气在我国越来越多的城市里得到了利用 综上所述 新能源汽车的开发与生产已成为汽车产业实现可持续发展的关键因素 在各 种代用燃料中 天然气以其储量大 污染小 热值高 价格低廉等优点而受到越来越多科研 人员和企业的关注 特别是在大中型城市 使用低排放发动机对于改善空气质量具有重大实 际意义 1 天然气的主要组成成分为甲烷 含量一般在 95 左右 与汽油和柴油等传统发动机燃 料相比 其作为气体燃料 可以与空气形成高质量的混合气 因此具有较好的燃烧特性 燃 烧过程也更加充分 几种燃料的理化性质见表 1 1 故此天然气发动机其 co hc nox等 的排放量同比会有显著下降 同时由于甲烷气体在释放相同情况下 与汽柴油相比其温室气 体的排放量要小 30 以上 而且其在燃烧过程中温度较低 nox的排放也较少 此外 甲 烷具有较高的辛烷值 因此其抗爆性较好 能承受较高的压缩比 故而天然气发动机可以选 择较高的压缩比 以提高其热效率 2 随着石油资源的日趋紧张 能源安全问题也成为了国家发展的隐忧 与此同时 我国天 然气具有储量丰富 价格低廉 市场需求不断增加 国家开发新能源的优惠政策等优势 以 天然气为代用燃料的清洁能源发动机的研究开发和逐步成熟应用 可以大幅降低重卡等车辆 的使用成本 有效改善能源短缺的问题 并且在降低排放 减轻对大气污染 实现可持续发 展方面也会起到很大的作用 因此发展天然气汽车 符合国家各项政策法规 得到了各级政 府大力支持 未来 cng 汽车产业将有更大的发展空间 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 2 表 1 1 常用燃料的理化性质 3 table 1 1 the physical and chemical properties of the fuel used 燃料 汽油 柴油 天然气 主要成分 511 cc 1523 cc 13 cc主要是 4 ch 相对分子质量 114 170 16 理论空气量 kg kg 14 9 14 6 17 24 3 mkg 11 54 11 22 13 33 kmol kg 0 515 0 5 0 595 自燃温度 230 480 632 燃料低热值 kj kg 44000 42500 50050 辛烷值 ron 90 106 130 mon 81 89 120 130 目前国内和国际的各大厂商均对天然气发动机的研发投入了很大的精力 潍柴天然气发 动机的研发始于 2005 年 目前已基本开发出了全系列的燃气发动机 2008 年 潍柴联合另 外两家公司共同成立了潍柴动力西港新能源发动机有限公司 并拥有以高压直喷为核心的天 然气发动机技术 上柴也将天然气发动机作为主要研究方向 上柴的拳头产品 sc8dt sc9dt 系列天然气发动机具有结构紧凑 配套适应性强 低速扭矩大 动力性好 零部件 体系成熟 使用维护成本低等优点 在公交车市场有着广泛的应用 其它的发动机生产厂近 年来也都在研发天然气发动机上投入很大 在国内的很多地区 如陕西 河北等地 都在大 力推广采用天然气发动机的公交车 并取得了很好的效果 在传统发动机的结构基础上进行改装 是目前研究天然气发动机的主要开发方法 可以 利用现有发动机较为成熟的设计思路和加工工艺以及现有的工厂机械设备等 不仅可以节约 大量的制造成本 而且设计简单 大大缩短了研制周期 待通过实际运行检验以及相关基础 设施如加气站等完善后 可以进行大批量生产的阶段 在根据目前改装机型的相应缺点以及 天然气本身特性来优化设计 是目前的一个主要思路 由于天然气的燃烧特性与原柴油机型 有较大区别 因此需要对一些零部件进行重新加工以及加装相应的传感器 同时由于天然气 发动机的热负荷较大 对于气缸盖等部件在高温高压下能否满足使用要求 其危险部位的温 度和受力情况等都需要进行相应的分析 4 河北工业大学硕士学位论文 3 1 1 2 2 内燃机内燃机缸盖缸盖 caecae 分析分析的意义的意义 在发动机的工作过程中 气缸盖不仅承受着较高的温度以及剧烈的温度变化 还受到较 大的机械负荷和缸内气体压力的不断冲击 随着发动机整体强化程度的不断提高 增压技术 越来越广泛的应用 以及新的代用燃料的使用等原因 对气缸盖的强度和可靠性等提出了越 来越严格的要求 5 由于气缸盖具有非常复杂的结构 对其进行校核就显得非常困难 传统 采用实验的方法进行校核既耗费了大量的时间和人力物力 结果又不一定具有普遍性 同时 对于一些部位设计相应实验来进行校核也是非常困难的 近年来 随着有限元法理论的不断 发展以及计算机技术的飞速发展 对重要的汽车零部件采用 cae 的各项技术来进行强度校 核 优化设计等越来越成为了各大车企改进车型 优化性能和结构的重要手段 对于气缸盖的仿真分析主要是热负荷以及机械负荷两方面 在软件进行模拟过程中 主 要分为以下几种类型 一种是非耦合传热问题 在此种分析问题中 模型的温度场将不会受 到机械负荷等产生的应力的影响 一种是顺序耦合热应力分析 此种分析过程中 模型的应 力应变场取决于温度场的 但是温度场却不会受到应力应变场的影响 第三种为完全耦合热 分析 在此类分析中 应力应变场和温度场之间相互作用 在计算过程中同时进行求解 6 cae computer aided engineering 就是用计算机来辅助进行强度校核 结构优化等的 一种十分有效的数值分析方法 cae 技术自从出现以来 立即受到企业和科研工作者的重 视 随着计算机技术的飞速发展 以往运用有限元法需要花费大量时间和精力进行手工计算 的工作可以借助计算机来实现 经过这些年来人们的不断探索 其应用领域和作用范围越来 越广泛 尤其是大型通用有限元软件的出现 逐步实现了从稳态到瞬态 从静力学到动态的 对于碰撞 爆炸等过程的模拟 其结果也随着算法和相应数据库等的不断完善而越发精确 在很多领域 已能够实现对整个工作过程的整体模拟 而不需要或只需要进行很少的试验 大大节省了时间 近年来 cae 仿真模拟已经逐渐成为各大企业 科研院所等在研发和设 计 校核等阶段不可缺少的重要环节 并且随着企业数据库等方面的逐步完善 cae 仿真 模拟越来越发挥着重要的作用 7 外国公司通过利用各种仿真技术 使得开发新车型的时间 缩短到了两年或是更短 大大提高了企业的竞争力 1 1 3 3 国内外研究的进展国内外研究的进展 气缸盖是内燃机的重要零件 其承受着较高的热负荷和机械负荷 8 而且随着人们对于 节能环保以及动力性方面的要求 发动机的整体强化系数也越来越高 对气缸盖的强度等也 提出了更高的要求 因此 越来越多企业和科研人员投入到了对气缸盖进行分析和改进的研 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 4 究中 采用数值模拟的方法来对气缸盖进行分析 主要经历了从部分到整体 从单一零部件 到多体分析 从单一场到多场耦合研究的分析过程 1 3 1 国内研究进展国内研究进展 在八十年代国内刚接触有限元方法时 对发动机进行有限元强度校核时 由于受到当时 软件和计算机硬件水平的限制 只能够选取缸盖的某一部分进行相应的校核 并对模型进行 很大程度的简化 比如将复杂的内部水腔按照箱型结构来计算 只保留最主要的特征 这必 然会造成计算结果与实际情况有很大的误差 而且受当时计算机硬件的限制 网格的尺寸相 对较大 并且整体的规模也较小 这也进一步增大了相关的误差 随着计算机技术的飞速发 展 以及相关软件在功能上的逐步完善 软件可以实现的功能也越来越强大 目前对于模型 的修改主要集中在倒角等细节上 很少对主体部分进行修改 提高了分析的精度 如 廖日 东等对某气缸盖进行缸盖热应力分析时 利用相关软件建立的缸盖和机体的详细实体模型 同时还参考了温度对材料影响方面的相应模拟分析并且为了提高计算精度 对四面体网格进 行了加密处理 9 在早期的模拟中 多为对单一某个零部件进行分析 但是在实际的工程问题中 零部件 之间会互相产生影响或者受力等边界条件难以准确的给定 随着对仿真分析要求的提高 这 种方法往往难以满足实际需要 目前对于缸盖的模拟一般较少进行结构简化 以提高分析的 精度 如王宇等以 6110 型柴油机作为研究对象 采用整体耦合法 不仅对气缸盖主要结构 不进行相应简化 而且建立了汽缸垫 水套密封圈 机体等的相应模型 10 张翼等 针对 某大功率 150 型柴油机运行中由于强度不足发生断裂的现象 采用有限元法建立了缸盖以及 相关零件的三维模型 进行了有限元分析 并且与试验进行了对照 用有限元法得出了较为 准确的结果 为结构改进提供了指导 11 内燃机结构复杂 对其进行的分析往往是由受到流场 温度场 应力场等多场耦合造成 的 并且互相之间还会产生影响 对其进行分析需要弹性力学 流体力学等方面的知识 因 此热 固耦合 热 流耦合 热 流 固多场耦合等越来越多的在实际工程问题中得到了应用 12 2007 年 陶建忠 佟德辉等 利用 cfd 发动机热力仿真以及有限元软件交叉分析来确定 温度场和传热系数等边界条件 再利用有限元软件进行强度和疲劳强度等的校核 指出了缸 盖产生最大拉应力的位置 得到了较好的分析结果 13 2007 年 4 月 杨万里等 对某双火 花塞缸盖进行了热负荷和热应力的分析 主要验证是否符合强度要求 14 对于压缩天然气发动机的研究 目前国内也有了很多的进展 2004 年 郭宗华 周俭 明 吴祚平对结合压缩天然气汽车本身的特点以及其相关的一些问题 介绍了如何进行相关 汽柴油机改造的相关技术 15 2007 年 王忠恕等针对某增压点燃式 cng 发动机的燃烧过程 通过数值模拟分析研究了其混合气的形成和燃烧过程 其结果与试验结果温和程度较高 16 河北工业大学硕士学位论文 5 2011 年 11 月 林学东 黄丫等采用可视化技术 对 cng 发动机缸内直喷稀薄燃烧中火焰 传播速度主要受哪些因素影响进行了相应的研究 他提出了位于火花塞附近混合气浓度的梯 度对于火焰传播和燃烧的稳定性有较大的影响 并由此间接对 nox排放产生了影响 1 3 2 国外研究现状国外研究现状 国外对于发动机的研究由于较早就采用了计算机辅助设计 并且有限元软件的发展和商 业化运用也开展的非常顺利 目前在发达国家 每年均投入大量资金和相应的人力物力进行 发动机的强度 可靠性等各种试验 在积累了大量的经验的同时也建立了较为完善的企业数 据库 提出了很多理论公式或半经验公式等 这也是国外内燃机在性能 寿命等方面始终处 于领先地位的重要原因 但是由于相应的标准 材料名称等与国内不同 进行相应的对比和 借鉴有一定的困难 而且国外的企业由于商业上的原因等往往会对技术细节 试验数据等进 行保密 目前 国外对于发动机整机及各个零部件的 cae 分析 热负荷 疲劳等方面都建 立了比较成熟可靠的流程和规范 因此 大大缩短了其开发新产品 推出新机型的速度 1 1 4 4 本文的主要研究内容本文的主要研究内容 本论文的研究内容是与雷沃动力有限公司合作 结合 cng 发动机的研发 试验过程 应用大型通用有限元软件 abaqus cng 对发动机气缸盖的热 机械负荷问题进行数值 模拟计算 找出危险截面所在的位置 为 cng 发动机的进一步改进提供参考 主要的工作 内容有 1 结合 cng 发动机的设计和研发过程 进行样机的可靠性试验并分析其结果 测 录示功图并绘制缸内燃气的压力曲线图 2 解体 cng 发动机 选取发动机中承受较大机械负荷与热负荷的气缸盖作为研究 对象 利用缸盖的三维 pro e 模型依据实验结果等来选取恰当的边界条件 完成前处理工作 3 应用大型通用有限元软件 abaqus 对气缸盖模型进行热 机械耦合计算 求得缸 盖的温度场 热应力场 热机耦合场等相关情况 并对结果进行相应的分析 4 综合分析试验和模拟结果 提出可能的改进措施作为参考 5 利用 python 语言和 abaqus 软件 针对前处理阶段耗时较长的问题 进行软件 的二次开发 实现提高强度分析软件的前处理工作效率之目的 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 6 第二章第二章 cng 发动机的开发过程及可靠性试验发动机的开发过程及可靠性试验 2 2 1 1 单燃料电控喷射单燃料电控喷射 cngcng 发动机的开发简述发动机的开发简述 本文的 cng 发动机是在雷沃动力的 phaser230ti 柴油发动机基础上进行二次开发得到 的 相对于原柴油机的主要改动如下 1 原柴油机采用压燃方式 改造后 cng 发动机采用点燃方式 因此拆除了原机喷 油器 高压油泵 燃油滤清器等 为了保持原有齿轮的传动比 在油泵齿轮所处的位置安装 了过渡齿轮 同时 加装了 cng 减压器 滤清器 见图 2 1 2 由于发动机从燃油改为燃气 因此需要对燃料供给系统进行重新设计 通过在进 气管和气缸盖之间安装燃气喷射混合装置 来达到燃气与空气在缸外混合的目的 燃气喷射 混合装置的结构如图 2 2 所示 3 由于发动机的着火由原柴油机的压燃变为火花点燃 因此需要在气缸盖上进行相 应的改动 在缸盖的喷油器孔处攻 m14 1 5 的螺纹 同时为了满足火花塞安装的要求 从 喷油器孔的直径由 22 5mm 扩大为 23mm 如图 2 3 所示 4 为了优化燃烧过程以及适应燃料的转变 改进后发动机的压缩比需要适当的降低 将原机的 燃烧室改变为 碗形 燃烧室 活塞的其他部分保持原有设计不变 如图 2 4 所 示 图 2 1 滤清器与减压阀实物图及安装位置 fig2 1 the diagram of cleaner and reducing valve and their position 河北工业大学硕士学位论文 7 图 2 3 水温传感器孔与火花塞孔 fig2 3 the sensor of water temperature and the cavity of spark plug 图 2 4 活塞剖面图 图 2 5 压力与温度传感器的安装位置 fig2 4 the section plan of piston fig2 5 the position of the sensor of pressure and temperature 5 采用增压中冷技术 在增压器排气出口弯管的相应位置加装氧传感器 来达到对 排放进行闭环控制的要求 同时还在其出口处安装了三元催化转换器 用来减少尾气排放 温度传感器 压力传感器 图 2 2 进气块示意图 fig2 2 schematic diagram of air inlet unit 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 8 图 2 6 给出排气弯管结构 6 为了安装相应的点火线圈 在机油冷却器上方增设了一个支架 如图 2 7 所示 图 2 6 排气弯管 图 2 7 点火线圈及支架 高压阻尼线 fig2 6 the exhaust elbow fig2 7 the ignition coil and bracket damp line 7 由于发动机的电控系统需要获得转速以及曲轴位置的信号 设计了一个转角信号 盘 为了节省空间 将其安装在飞轮上 飞轮转角信号盘如图 2 8 所示 8 cng 发动机采用采用先进的电控技术 实现多点喷射和直接点火技术 其通过电 子控制模块 ecm 来接收各个传感器的信号 然后根据 ecm 内部的预设程序算出发动机的 最佳喷气量以及点火时刻 再对执行机构进行控制从而实现对发动机的进气 点火 怠速等 功能的控制 此 cng 发动机的控制系统采用美国德尔福公司的相关技术 德尔福公司的汽 油多点喷射和直接点火技术非常成熟 并且在国际上应用广泛 在软件技术上 在了解其控 制思路后 对其进行了二次开发 设计出符合国内情况和天然气燃料特性的软件功能 其电 控喷射系统的原理和布置如图 2 9 所示 测试诊断预留孔 氧传感器安装孔 图 2 8 飞轮信号盘示意图 fig2 8 schematic diagram of signal on the flywheel plane 河北工业大学硕士学位论文 9 图 2 9 电控喷射系统原理及布置 fig2 9 the theory and collocation of electronically controlled flywheel injection system 在进行上述改进和设计后 发动机的整体外形如图 2 10 所示 图 2 10 cng 发动机的外形布置 fig2 10 the externality of cng engine 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 10 2 2 2 2 对对 phaser210tin 天然气发动机的可靠性试验天然气发动机的可靠性试验 根据 gb t19055 2003 汽车发动机可靠性试验方法 中的相关规定 在发动机台架上 对改装后的 phaser210tin 天然气发动机的样机进行了可靠性试验并对缸内燃气的压力变化 情况进行了相应的检测 发动机进行台架试验的目的 1 当企业开发出新型发动机后 需要对样机进行的台架试验 以验证整机的各项性 能及可靠性等能否满足设计要求 同时也可以对各个零部件的各项性能进行相应检测 并据 此作为发动机未来改进的一个重要依据 2 对已定型或量产的发动机进行改进 随着发动机排放法规的要求越来越严格以及 人们对于动力性等方面的要求的不断提高 新材料技术的逐步应用 需要对较为成熟的机型 进行相应的改进 以使其更加完善 3 对发动机中的某些重要零部件进行相应的校核 发动机的性能主要取决于其重要 零部件的性能 因此对零部件进行相应的校核也非常重要 在进行相关台架试验后 对发动 机进行相应的拆解 观察零部件的相关情况 也可以对其温度应力等进行相应的检测 可以 提供相应的边界条件 为利用相关的软件进行仿真模拟提供了依据 17 2 2 1 试验项目及仪器设备试验项目及仪器设备 在试验中 分别在标定工况以及最大扭矩的工况下进行了 500 小时台架运转 对发动机 进行耐久性试验 并在试验过程中将发动机的功率 转速 冷却水进出口温度 进排气温度 等信息进行了记录 在整个耐久性试验结束后 对发动机进行了拆卸 以观察主要零部件的 磨损等情况 为进一步的分析和改进提供参考 本次试验所选用的发动机为的 phaser210tin 天然气发动机 在试验过程中所用仪器和 设备均经过校验 符合 gb t19055 2003 的相关规定 主要仪器设备如下 1 d 650 型水力测功器 2 eu 2 型排温热电偶 3 电磁式数字转速表 4 热电偶型排温表 2 2 2 试验过程及结果试验过程及结果 发动机的耐久性试验是为了测得发动机的使用寿命或危险部位以及薄弱环节而进行 选 在最大扭矩和标定功率点交替进行试验 每隔一小时就对试验监测数据进行相应记录 整个 河北工业大学硕士学位论文 11 试验过程共持续 500 小时 即发动机累计运转了 500 小时 在耐久性试验结束后 对发动机 进行了外特性试验 后将发动机解体 对主要零部件情况进行了观测 发现有以下情况 1 第二缸出现轻微的拉缸现象 2 第一 二缸存在轻微的气门撞击活塞的现象 3 第一 四 六缸缸盖在鼻梁区附近均出现裂纹 主要在新加工的火花塞孔处 4 第四缸排气门处有部分缺失现象 引起发动机拉缸现象产生的原因有很多种 但是其根本原因是由于气缸内壁与活塞 活 塞环之间润滑不好 对于此发动机 经过相关分析 认为其主要是受到天然气发动机热负荷 偏高 冷却效果不好 导致机油难以在零件表面形成润滑油膜 同时零部件温度较高受热膨 胀共同造成的 18 对于在气缸盖鼻梁区出现裂纹 主要是由于新机型在柴油机基础上扩大了其火花塞直 径 同时此区域在工作过程中温度较高 热应力较大 属于危险截面 同时 气缸缸盖底 面和冷却面温度相差很大 分别产生压 拉热应力 因此极易发生故障 需要对此进行相应 的模拟分析 19 20 将整个发动机解体气缸盖如图 2 11 2 13 所示 图 2 11 气缸盖整体图 fig2 11 the integral diagram of cylinder head 图 2 12 轻微拉缸现象 fig2 12 the phenomenon of mild scuffing of cylinder bore 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 12 图 2 13 气门轻微撞击活塞 fig2 13 the valve impinge on the piston 图 2 14 鼻梁区裂纹 fig2 14 the crackle on the area of bridge of a nose 2 2 3 缸内气体压力变化曲线图缸内气体压力变化曲线图 在试验过程中 对发动机不同转速和不同负荷下的缸内燃气压力 压力升高率等进行了 相应的测量 图 2 15 2 18 为发动机转速稳定在 2500r min 时 扭矩分别 600n m 440 n m 300 n m 和 150n m 时 缸内气体的压力变化情况 曲轴每转 0 2 ca 进行一次测量 以下 图均选取 10 循环为例 此处产生 裂纹 河北工业大学硕士学位论文 13 图 2 15 气缸压力变化 转速 2500r min 扭矩 600n m fig2 15 the pressure of the gas in the cylinder revolving speed2500r min torque 600n m 图 2 16 气缸压力变化 转速 2500r min 扭矩 440n m fig2 16 the pressure of the gas in the cylinder revolving speed 2500r min torque 440n m 图 2 17 气缸压力变化 转速 2500r min 扭矩 300n m fig2 17 the pressure of the gas in the cylinder revolving speed 2500r min torque 300n m 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 14 图 2 18 气缸压力变化 转速 2500r min 扭矩 150n m fig2 18 the pressure of the gas in the cylinder revolving speed2500r min torque 150n m 图 2 19 2 22 为发动机转速稳定在 1600r min 附近时 扭矩分别 730n m 720 n m 360n m 和 180n m 时 缸内气体的压力变化情况 图 2 19 气缸压力变化 转速 1600r min 扭矩 730n m fig2 19 the pressure of the gas in the cylinder revolving speed 1600r min torque 730n m 河北工业大学硕士学位论文 15 图 2 20 气缸压力变化 转速 1600r min 扭矩 720n m fig2 20 the pressure of the gas in the cylinder revolving speed1600r min torque 720n m 图 2 21 气缸压力变化 转速 1600r min 0 扭矩 360n m fig2 21 the pressure of the gas in the cylinder revolving speed 1600r min torque 360n m 图 2 22 气缸压力变化 转速 1600r min 扭矩 180n m fig2 22the pressure of the gas in the cylinder revolving speed 1600r min torque 180n m 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 16 在发动机外特性条件下 不同转速下缸内气体压力变化情况进行了记录 如图 2 23 和 2 24 所示 仅以 2500r min 和 1600 min 为例 图 2 23 气缸压力变化 转速 2500r min 外特性 fig2 23 the pressure of the gas in the cylinder revolving speed 2500r min full load characteristics 图 2 24 气缸压力变化 转速 1600r min 外特性 fig2 24 the pressure of the gas in the cylinder revolving speed 1600r min full load characteristics dm3 从测量所得的数据可以看出 天然气发动机在扭矩为 600n m 转速为 2500r min 时 最大爆发压力最大达到 11mpa 左右 远远小于原柴油机 16 5mpa 的最大爆发压力 这也与 我们的分析结果相吻合 即天然气发动机与柴油机相比 所受到的机械负荷偏小 但是 由 于与原机相比在热负荷上天然气发动机会有显著增加 会造成材料性能上的下降 以及由于 河北工业大学硕士学位论文 17 温度不均造成的热应力较大 因此原机的结构和设计能否满足相应的要求等问题仍需要进行 深入的分析和研究 通过柴油机改进的天然气发动机 一般与原机型相比均存在动力性下降的问题 主要是 天然气的热值比柴油低 同时由于其采用预混合燃烧 在进气过程中由于节流等以及天然气 是气体燃料 在进气中占有一定比例 因而实际进入缸内的空气量相对较少 影响了充气效 率 同时在天然气燃烧过程中 由于火焰传播速度较慢 使燃烧持续时间增加 进而增加了 传热损失 造成热效率下降 21 22 2 2 3 3 试验结果分析试验结果分析 cng 发动机在进行可靠性试验的过程中未出现异常状况 基本实现了利用单一燃料 天 然气 稳定可靠运行的设计要求 但由于 cng 发动机相对柴油机存在热负荷偏高的情况 在将发动机进行解体后 对零部件进行相应观察和检测后 发现发动机存在热负荷偏高 同 时也出现了轻微拉缸以及在气缸盖的鼻梁区附近会产生裂纹的现象 因此本文对 cng 发动 机承受热负荷的主要部件缸盖进行有限元分析 为下一步改进从而实现 cng 发动机的产业 化提供参考 目前对发动机气缸盖的研究方法有试验和仿真两类 两者互为补充 试验的进行过程复 杂 耗费时间和财力较大 并且难以进行较为全面的分析 模拟则较好的弥补了试验的缺点 并且随着现代技术的飞速发展和产品数据库的不断完善 其结果越来越准确 并且可以对一 些试验难以测得的量进行相应的监测和分析 因此也越来越受到人们的重视 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 18 第三章第三章 有限元分析的基本理论有限元分析的基本理论 3 3 1 1 弹性力学的基本概念弹性力学的基本概念 下面主要介绍弹性力学中对于一些物理量的定义 1 载荷 载荷包括体力 面力以及集中力 体力的矩阵表示为 2 1 面力的矩阵表示为 2 2 集中力的矩阵表示为 2 3 2 应力 当弹性体受到载荷作用时 其内部相应会产生内力 因此 将弹性体内某一点作用于某 个截面单位体积上的内力称为应力 stress 它反映了内力在截面上的分布密度 应力一般可以分解为一个正应力和两个剪应力 根据剪应力互等定律 有如下关系 2 4 应力的矩阵可以表示为 2 5 由于弹性体内各点的应力状态不一定相同 因此应力分量并不是常量 而是关于坐标 x y z 的函数 将由弹性体各质点的应力所构成的连续物理场称做应力场 3 应变 应变的矩阵表示为 2 6 4 位移 河北工业大学硕士学位论文 19 若用 u v w 分别表示 x y z 方向的位移分量 则位移的矩阵表示为 2 7 由于弹性体在发生变形时 其各质点的位移不一定相同 因此位移也是关于 x y z 的函数 将由弹性体内各质点的位移所组成的连续物理场称为位移场 23 在一般情况下 通过某点的任意截面上有正应力及其剪应力作用 但有一些特殊截面 在这些截面上仅有正应力作用 而无剪应力作用 称这些无剪应力作用的面为主截面 其上 的正应力即为主应力 主截面的法线叫主轴 三个主截面为互相正交 主应力分别以 1 2 3表示 按代数值 正负号 排列为 1 2 3 其中 1 2 3在 abaqus 中分别对应 max principal mid principal min principal 这三个量在任何坐标系统下都是不变量 mises 屈服准则 mises 屈服准则的数学表达式 2222222 2 6 szxyzxyxzzyyx 2 8 用主应力表示为 22 13 2 32 2 21 2 s 2 9 式中 s为材料的初始屈服应力 根据单向拉伸实验确定 用等效应力 表示 有 szxyzxyxzzyyx 6 2 1 222222 2 10 即 mises 屈服准则可以表述为 在一定的变形条件下 当受力物体内一点的等效应力达 到某一定值时 该点就开始进入塑性状态 mises 屈服准则的物理意义 在一定的变形条件下 当材料的单位体积形状改变的弹性位能 又称弹性形变能 达到 某一常数时 材料就发生屈服 可以在主应力空间中画出 mises 屈服准则 见图 3 1 在 3d 主应力空间中 mises 屈服 面是一个以 1 2 3为轴的圆柱面 在 2d 中 屈服面是一个椭圆 在屈服面内部的任 何应力状态 都只产生弹性变形 屈服面外部的任何应力状态都会引起屈服 注意 静水压 应力状态 1 2 3 不会导致屈服 屈服与静水压应力无关 而只与偏差应力有关 因此 1 180 2 3 0 的应力状态比 1 2 3 180 的应力状态接近屈服 mises 屈服准 则是一种除了土壤和脆性材料外典型使用的屈服准则 天然气发动机气缸盖热 机械强度分析 20 图 3 1 主应力空间中的 mises 屈服面 fig 3 1 the principal stress space mises yield surface 3 3 2 2 弹性力学基本方程弹性力学基本方程 弹