（机械设计及理论专业论文）车用柴油机气缸盖热力学仿真分析.pdf

广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其 他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说 明并致谢。 论文作者签名：耋竞 卅。年 月2 i h 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 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，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 舀即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：要 导师签名 y ，i m _ o ，u 年 月2 2 4 0 i m p a 。表中化学成分除了组成灰铸铁的基本化学元素之外，还 加入了c r ，c u 两种合金元素。加入合金元素的目的是提高铸铁的耐蚀性，耐热性和耐磨 性，此外还可以提高铸铁的机械性能。 通过实验，发现合金元素对铸铁的弹性模量影响不大【3 8 】，合金元素对铸铁的热导率 一般都不起决定性作用p 引。综上所述，根据抗拉强度以h t 2 5 0 的材料特性来确定本课题 中合金铸铁的机械性能和物理性能。查手册h t 2 5 0 的材料特性见下表： 表4 - 2 气缸盖材料特性 t a b l e4 - 2t h em a t e r i a lp r o p e r t yo fc y l i n d e rh e a d 名称单位范围值 弹性模量e( g p a )1 1 0 1 3 0 泊松比 0 1 0 3 热导率兄 w m k4 8 5 2 密度k 。m 3 7 2 5 0 7 3 5 0 比热容 j ( k 。- k ) 6 7 0 7 1 2 0 2 0 0 1 1 5 1 2 0 线胀系数口 1 0 - 6 k o 5 0 0 1 3 0 1 3 5 2 6 广西大掌硕士学位论文车用柴油b x , 气缸盖热力学仿真分t 6 - 4 2 温度边界条件的确定 4 2 1 温度测量的方法 温度测量的方法分为接触式测温和非接触式测温两大类。接触式测温又有膨胀式测 温，电量式测温，接触式光电测温，接触式热色测温等。非接触式测温可分为辐射式测 温，光谱测温，激光干涉测温，声波、微波测温等。 气缸盖温度测试的方法一般用热电偶法和硬度塞法，这两种方法都属于接触式测 温。热电偶测温是把两个材料不同的金属焊在一起，参考端和温度端的温差会引起热电 势，以热电势和温度的单值关系来测量温度。用电偶法测温测量精度高，但测量装置复 杂，要做很多的准备工作。硬度塞法是在气缸盖上先确定测点，然后在测点上钻孔攻丝， 拧入硬度塞，让柴油机工作几小时，取出硬度塞，经磨光，抛光用显微硬度计测出硬度 值，柴油机工作时气缸盖的温度相当于硬度塞的回火温度，再根据回火温度关系曲线找 到个硬度值相对应的温度值。用硬度塞法测量温度简单方便，但精度不高，误差大。 除上述方法外，也有用非接触式测温方法测量气缸盖表面温度的。如张萍等【5 l 】用红 外线热成像技术测定柴油机缸盖表面温度。用这种方法测量出的温度直观且分辨率高。 总的来说，由于气缸盖结构复杂，柴油机工作时气缸盖的温度分布也是非常复杂的， 特别是水套壁的温度，要测量其温度是十分困难的。同时现有技术也只是对表面指定点 进行测量，再以点的温度来推断其所在区域的温度，这样就不是十分准确。所以要全面， 精确地测量出气缸盖的温度目前还是做不到的。 4 2 2 温度边界的确定 在进行温度场计算时需要确定边界条件，本课题采用第一类边界条件，即认为物体 边界上的温度已知，气缸盖的边界温度通过厂方实测得到，测得的温度如下： 1 、进气门门最高温度：( 2 8 5 3 4 5 ) ；排气门门最高温度：( 5 6 5 6 2 0 ) 。 2 、缸盖底平面最高表面温度：最高温度为2 9 8 。 3 、缸盖水腔温度：与发动机出水温度接近或略高5 1 0 度，发动机出水温度( 热机后) 正常范围为8 0 - 9 0 度。这里取9 5 度作为气缸盖内壁温度。 4 、接触缸盖壁的温度见下表： 2 7 广西大掌硕士掌位论文 。 车用柴油机气缸盖热力掌仿真分析 表4 3 气缸盖接触壁温度 t a b l e4 - 3t h et e m p e r a t u r eo nc o n t a c tw a l lo f c y l i n d e rh e a d 前缸盖壁后缸盖壁排气侧缸盖壁进气侧缸盖壁 7 9 8 4 1 1 2 7 2 6 5 、把与缸盖壁距离约l o o m m 处的温度作为环境温度，测得的温度如下表： 表4 4 气缸盖环境温度 t a b l e4 - 4t h es u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r eo f c y l i n d e rh e a d 前缸盖壁后缸盖壁排气侧缸盖壁进气侧缸盖壁 6 5 6 0 9 6 6 2 3 6 、进、排气道温度分布的确定 进、排气道温度分布是不均匀的，它们的门口温度最高，然后逐渐降低，越远离门 口，温度下降得越慢，因此把进、排气道不均匀地分成几个区域，每个区域的温度用线 性插值的方法处理，即把最高温度和最低温度的差值除以区域的数目的数值作为不同区 域之间温度的差值。其公式如下 式中，乙一区域之间温度的差值； 巧一进、排气道的最高温度； 砭= 早 ( 4 1 ) 兀一进、排气道的最低温度： 力一划分区域的数目。 那么每个区域的温度为 瓦= 巧- ( m - 1 ) 咖= l ，2 ，) ( 4 - 2 ) 式中，l 一第m 个区域的温度； 所一第所个区域的编号。 进气道的最高温度取3 4 5 ( 2 ，最低温度取进气侧缸盖壁温度，为7 2 6 ，把进气道 分为9 个区域，则温度差值为 r c ：3 4 5 - 7 2 6 ：3 0 3 ( 4 3 )= =，l 斗一j 车用柴；由机气缸盖热力掌仿真分析 进气道划分的区域如图4 - 1 所示。 区域温度见下表： 图禾1 进气道分区图 f i g 4 - 1t h ez o n i n go fi n l e t 表4 5 进气道区域温度 t a b l e4 - 5t h er e g i o nt e m p e r a t u r eo ni n l e t 区域编 号 l2 3 456 78 9 温度 3 4 53 1 4 72 8 4 42 5 4 12 2 3 81 9 3 51 6 3 21 3 2 91 0 2 6 ( ) 排气道的最高温度取6 2 0 e 最低温度取排气侧缸盖壁温度，为7 2 6 ，把排气道 分为l o 个区域，则温度差值为 l ：6 2 0 - 1 1 2 ：5 0 8 ( 4 - 4 ) ，= 一= o l 1 0 排气道划分的区域如图4 2 所示。 2 9 广西大学硕士学位论文车用柴油机气缸蓝热力学仿真分析 区域温度见下表： l l 厶一x 图4 - 2 排气道分区图 f i g 4 - 2t h ez o n i n go fe x h a u s t 表4 石排气道区域温度 t a b l e4 - 6t h er e g i o nt e m p e r a t u r eo ne x h a u s t 区域 12 3 456 7 891 0 编号 温度 6 2 0 5 6 9 25 1 8 44 6 7 64 1 6 83 6 63 1 5 22 6 4 42 1 3 61 6 3 8 ( ) 7 、螺栓孔温度分布的确定 螺栓孔温度分布也是不均匀的，但由于形状规范，因此可以在螺栓孔壁上加一个温 度函数，同时假设温度是沿着坐标线性变化的，即认为温度是坐标值的线性函数，其公 式如下 丁= 五+ 孚“ ( 4 _ 5 ) 式中，z 一在指定坐标系下某点的温度值； 。 t 一在指定坐标系下起始点的温度； z 一在指定坐标系下终点的温度； 三一在指定坐标系下起点与终点的距离，取绝对值； z 一在指定坐标系下的坐标值。 r 西大学硕士掌位论文车用柴油机气缸盖热力学仿真分析 4 3 温度场的计算 在确定所有边界面的温度后，就可以进行温度场的计算。由于活塞每次做功的时间 都很短，热惯性又具有滞后性，故柴油机在启动一定时间后，气缸盖的温度可以看作是 稳定的，所以按稳态分析进行气缸盖的温度计算，并把此计算所得结果作为热应力计算 时所需的温度载荷。温度场计算时要输入热导率，比热容，膨胀系数等材料属性。加载 时若温度是常数可以直接选择面再输入温度值；当温度是函数时，就需利用a n s y s 中 的函数编辑器( f u n c t i o ne d i t o r ) 施加温度边界。边界温度是函数的加载操作如下： a ) 显示并移动工作平面：选择菜单u t i l i t ym e n u w 硐( p l a n e d i s p l a yw o r k i n gp l a n e ， 并移动到如图4 3 所示位置。 图4 - 3 气缸盖坐标系布局 f i g 4 - 3t h el a y o u to f c o o r d i n a t es y s t e mo f c y l i n d e rh e a d b ) 以工作平面创建局部坐标系：选择菜单u t i l i t ym e 肌一w o r k p l a n e 一一 l o c a lc o o r d i n a t es y s t e m s - - c r e a t el o c a lc s - - - a tw p o r i g i n ，弹出c r e a t el o c a lc s a t w po r i g i n 文本对话框，在坐标系类型下拉菜单中选择c a r t e s i a n0 ( 笛卡尔坐标系) 即可。 c ) 定义加载函数并保存：选择菜单u t i l i t ym e n u - - p a r a m e t e r s f u n c t i o n s - - , - d e f i n e e d i t ，弹出f u n c t i o ne d i t o r 对话框，指定上步创建的局部坐标系，并在r e s u l t 栏输入“一( z ) 木( 2 9 8 4 5 ) 1 0 4 3 + 4 5 ，此即为z 处的温度值。然后选中f u n c t i o n e d i t o r 菜单f i l e - - - ，s a v e ，在弹出对话框中输入文件名保存。 d ) 读入加载函数：选择菜单u t i l i t ym e n u p a r a m e t e r s f u n c t i o n s r e a df r o mf i l e ，指 定上步保存的文件，弹出函数加载器( f u n c t i o nl o a d e r ) 对话框，在t a b l ep a r a m e t e r l l a m e 栏中输入读入的加载函数文件名。 e ) 施加温度载荷：选择菜单m a i nm e n u - - - s o l u t i o n - - - d e f i n el o a d s - - , - a p p l y 3 l 广西大学硕士掌位论文 车用柴 由机气缸盖热力学仿真分析 一s t r u c t u r a l - - - p r e s s u r e o na r e a s ，弹出面拾取对话框，选取螺栓孔面，弹出a p p ly p r e so i la r e a s 对话框，在其第一栏选中e x i t i n gt a b l e ，单击o k 按钮，弹出下级 对话框，选中第d 步中指定的读入加载函数名，单击0 k 按钮即可。 4 4 温度场计算结果 柴油机在工作过程中，把气缸盖的温度看作是稳定的，所以用稳态热分析计算其温 度场。但其实柴油机的燃烧室在其工作时是不断循环变化的，在燃烧膨胀冲程中达到最 大，一般1 8 0 0 - - 2 2 0 0 k 。若进行稳态分析时，气缸盖底平面上组成燃烧室部分的面的温 度就不好确定，鉴于此有的文献采取平均温度处理。本文中则采用最高温度作为底平面 中构成燃烧室部分的温度，此时的最高温度也是活塞处于做功冲程阶段燃烧室的瞬时温 度。只要计算时设定的时间合理( 越短越好) ，计算出的结果还是可靠的，此时由于最 高温度和最低温度的温差最大，所以算出来热应力也是最大的。气缸盖温度场计算的结 果如下图所示。 3 8 4 3 8记5 6 2 61 2 1 31 8 3 3 2 0 3 29 1 9 2 1 91 5 0 g 一( a ) 气缸盖项面 3 8 4 3 86 2 5 6 2 61 2 1 31 8 0 0 3 3 z 29 1 9 2 1 91 5 ( 3 ( b ) 气缸盖底平面 图4 - 4 气缸盖温度分布图 f i g 4 - 4t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so fc y l i n d e rh e a d 3 2 广西大掌硕士掌位论文车用柴油机气缸盖热力掌仿真分析 图。 用平行于气缸盖底平面的平面剖分气缸盖，可得到剖开后气缸盖内部的温度分布云 3 8 1 3 8 3 3 2 0 3 2 6 2 s 6 2 6 ，i ，2 1 ， 上z 1 3 1 5 0 6 1 b o o ( a ) 3 8 3 86 2 5 6 2 61 2 1 3 3 3 2 0 3 z9 1 9 2 王，1 5 0 6 ( b ) 图4 - 5 气缸盖内部温度分布云图 f i g 4 5t h ei n s i d et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fc y l i n d e rh e a d 用垂直于气缸盖底平面的平面在第三缸的排气道处切开，得到在排气道处的温度分 布云图如图4 - 6 所示。 3 8 4 3 8 6 2 5 6 2 61 2 1 3 3 3 2 0 3 29 1 9 2 1 91 5 0 6 厂西大掌硕士掌位论文车用柴油机气智溘热力掌仿真分析 3 8 4 3 86 2 5 6 2 61 2 1 31 8 3 3 2 0 3 2 9 1 9 2 t 91 5 0 ( b ) 图4 - 6 气缸盖排气道处温度分布云图 f i g 4 - 6t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fp l a c ea tt h ec y l i n d e rh e a de x h a u s t 用垂直于气缸盖底平面的平面在第三缸的进气道处切开，得到在进气道处的温度分 布云图如图4 7 所示。 3 8 4 3 8 3 3 2 0 3 2 6 2 5 6 2 6 9 1 9 2 1 9 ( a ) 1 2 1 3 1 s 0 6 1 日 3 8 4 3 8 6 2 5 6 9 61 2 1 3 1 8 0 0 3 3 2 0 3 29 1 9 2 1 9 1 5 0 6 ( b ) 图4 7 气缸盖进气道处的温度分布云图 f i g 4 - 7t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fp l a c ea tt h ec y l i n d e rh e a di n l e t 广西大掌硕士学位论文车用柴油机气缸兰热力学仿真分析 从温度分布图可以看到，气缸盖的温度分布与按第一类边界条件施加的温度基本相 符，火力面的温度达到最大。进气道温度从出口到进口和排气道温度从进口到出口依次 降低。 4 5 热应力的计算 a n s y s 软件提供2 种热应力分析方法：直接耦合法和间接耦合法。直接耦合法利用 包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅通过一次求解就能得出耦合场分析结果。间接 耦合法是按照顺序进行两次或更多次的相关场分析。它是把第1 次场分析的结果作为第 2 次场分析的载荷来实现两种场的耦合的。间接耦合法又分两种分析方法：物理环境法 和手工法。物理环境法指单独的数据库文件在所有场中使用，用多个物理环境文件来表 示每个场的特性；手工方法是指建立和存储多个数据库，每次研究一个场，每个场的数 据都存储在数据库中。本文计算热应力时用间接手工方法。 在完成温度场的计算后，气缸盖的温度分布就为已知，把计算所得的节点温度作为 载荷施加在模型上，再施加一定的约束，就可以求出热应力。计算热应力属于结构场分 析，进行结构分析时认为有温差引起的热应力与气缸盖的变形仍处于弹性范围内，因此 进行线性分析。热应力计算时需要更改分析文件名。删除边界条件后将温度场单元转换 为结构场单元。由于气缸盖整体在工作时是静止不动的，其刚性位移为零，底平面与气 缸体接触，必须保证底平面保持平整，所以只在底平面施加垂直位移约束。这样就只约 束了底平面的上下位移，不再在其它面上施加约束。热应力分析时还需定义参考温度， 参考温度实际就是环境温度，因为测得的气缸盖四面的环境温度不一样，而a n s ￥s 输入 环境温度时只能是一个值，所以取测得的平均值作为整体环境温度。读取温度场计算结 果后再作一些其它的设定就可以进行计算了。 4 6 热应力的计算结果 铸铁是脆性材料，强度极限为拉断时的最大应力，是衡量强度的唯一指标。而第一 强度理论认为最大拉应力是引起断裂的主要因素。因此用第一强度理论来考察气缸盖是 否失效。气缸盖按第一强度理论的等效应力云图如图4 8 所示。 s l = 一7 z 6 9 7 26 9 2 3 z l l l 9 l l - 2 1 6 ( a ) 气缸盖顶面 1 6 7 0 6 s 1 = - 7 z 6 9 ( b ) 气缸盖底平面 图4 - 8 气缸盖热应力分布 f i g 4 - 8t h e t h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fc y l i n d e rh e a d i 5 0 1 2 1 5 0 l 用与温度场分析时同样的剖分气缸盖的方式，就得到剖开后的气缸盖的内部应力分 布云图。 j 2 - - - 2 1 3 8 1 8 1 = - ，7 6 2 9 ( a ) 1 3 b l r - 西大掌硕士掌位论文车, e f t 柴油机气缸盖热力掌仿真分析 固墨翠固墨墨圜圈量要! = = = 翌受圈一一9 63 2 3 8 7 j 3 61 工6 3 4 1 1 3 ，5 3 3 7，5 3 5 ( b ) 图4 - 9 气缸盖内部应力分布云图 f i g 4 - 9t h ei n s i d es t r e s sd i s t r i b u t i o no fc y l i n d e rh e a d 柴油机在工作时还要考虑气缸盖的变形量，若变形过大，会造成柴油机因漏气漏油 而损坏，因此有必要考察气缸盖在柴油机工作时的变形情况。由于施加的螺栓预紧力和 气缸的压力都与底平面的法线方向即z 向平行，施加螺栓预紧力时，气缸盖虽然在各个 方向都有变形，但z 方向的变形最大：施加气缸压力时，气缸盖受到弯曲作用在z 向变 形，所以z 方向的变形决定了气缸盖是否满足刚度要求。 气缸盖受热后在各个方向也会有热变形，但施加螺栓预紧力及气缸压力后主要考虑 z 方向产生的变形，由热产生的变形和由螺栓预紧力及气缸的压力产生的变形要叠加起 来才能考察气缸盖是否满足刚度要求。热变形对气缸盖的刚度影响有多大是需要关心 的，所以只关注气缸盖在z 方向的热变形。气缸盖沿z 向的位移如图4 1 0 所示。 0 0 2 7 1 4 一i n 9 一1 2 笆一0 3 0 0 u ，l 0 0 2 4 6 6 3 两l 。5 0 跖 ( a ) 气缸盖顶面 ( b ) 气缸盖底平面 图4 1 0 只考虑热应力气缸盖z 向位移 f i g 4 1 0t h ezd i r e c t i o nd i s p l a c e m e n to f c y l i n d e rh e a da s t h e r m a ls t r e s si so n l yc o n s i d e r e d 用平行底平面的平面剖开气缸盖后其内部z 向位移如图4 11 所示。 l ，孝= 一，e 寡一0 3 舞，= = 气焉= = 焉严，一 9 9 口一 - w m 。6 6 0 3 m p l z 3 z l m 1 - 。v ”。 ( a ) 5 u z = 一9 e b 0 3 ( b ) 图4 - 1 1 只考虑热应力气缸盖的内部z 向位移云图 0 0 5 0 5 6 f i g 4 11t h ei n s i d ez d i r e c t i o nd i s p l a c e m e n to fc y l i n d e rh e a do n l ya s t h e r m a ls t r e s si so n l yc o n s i d e r e d 3 8 车用柴油机气缸盖热力掌仿真分析 水套壁上的温度小于与之相对应的火力面的温度，因此水套壁受到是拉伸应力，而 火力面由于膨胀受到限制受到压缩应力的作用。从应力图可以看出，只考虑热应力时， 气缸盖整体受到的最大应力约为2 1 m p a 。最大应力处位于与火力面相对应的水套壁上。 火力面受到的压力为负值。理论分析与算得的结果是相符的。与火力面相对应的水套壁 上产生最大应力的原因是此处的温差最大，且水腔壁的壁厚有突变。进、排气道的温度 也高于水温，也受到压应力，但因为温差值比较小，所以受到的压应力值也较小。从位 移图可以看出，气缸盖产生的热变形最大也只有0 0 0 5 毫米左右；“鼻梁”区因为温度 太高而直接向下膨胀，且膨胀的值达到最大，约为0 0 0 2 毫米；进、排气道也有一定的 向上膨胀量，但值较小。总的来说，由热产生的变形是很小的。 4 7 重启动分析【6 1 l 在完成气缸盖的热应力计算后，还需考虑螺栓预紧力和气缸压力对其影响。由于 已经完成了一次热应力计算。因此要用到a n s y s 的重启动分析技术。 4 7 1a n s y s 重启动技术简介 有时，在第一次运行完成后也许要重新启动分析过程，例如想将更多的载荷步加入 到分析中，在线性分析中也许要加入别的加载条件，或在瞬态分析中加入另外的时间里 程加载曲线，或者在非线性分析收敛失败时需要恢复。a n s y s 允许两种不同类型的重启： 单架构重启与用于静态和全瞬态结构分析的多架构重启。单架构重启只允许你在一个工 作停止点恢复它，而多架构重启可以在分析的任何点恢复工作，条件是保存了信息。这 项功能允许在一个模型上作多个分析并且从异常中断恢复时有更多的选择。 要重启分析，模型必须符合以下条件： 1 ) 分析类型必须是静态( 稳态) 、谐波( - - 维磁场) 或瞬态( 只能是全瞬态) ，其它的 分析不能被重新启动。 2 ) 在初始运算中，至少已完成了一次迭代。 3 ) 初始运算不能因“删除”作业、系统中断或系统崩溃被中断。 4 7 2 一般重启动 3 9 - - 西大学硕士学位论文车用柴油机气缸盖热力掌仿真分析 一个传统的重启动需要有工作初始运算的特定文件，并且需要在使用s o l v e 命令前 改变输入。 l 一般重启动的要求 在初始运算时必须得到以下文件： 1 ) j o b n a m e d b 文件一它是在求解后，p o s t l 后处理之前保存的数据库文件。必须在求 解以后保存这个文件，因为许多求解变量是在求解程序开始以后设置的。在进入 p o s t l 前要保存该文件，因为在后处理过程中，s e t 命令( 或功能相同的g u i 路径) 将用这些结果文件中的边界条件改写存储器中的已经存在的边界条件。接下来的 s a v e 命令将会存储这些边界条件( 对于非收敛解，数据库文件是自动保存的) 。 2 ) j o b n a m e e m a t 文件一单元矩阵。( 如果己建立) 3 ) j o b n a m e e s a 或j o b n a m e o s a v 文件一j o b n a m e e s a v 文件保存单元数据，j o b n a m e o s a v 文件保存旧的单元数据。j o b n a m e o s a v 文件只有当j o b n a m e e s a v 文件丢失、不完整 或由于解答发散，或因位移超出了极限，或因主元为负引起j o b n a m e e s a v 文件不完 整或出错时才用到。在n c n v 命令中，如果k s t o p 被设为l ( 缺省) 或2 ，或自动时间 步长被激活，数据将写入j o b n a m e o s a v 文件。如果需要3 0 b n a m e o s a v 文件，必须在 重新启动时把它改名为j o b n a m e e s a v 文件。 4 ) 结果文件一不是必需的，但如果有，从重启动运行得出的结果将通过适当的有序的 载荷步和子步号追加到这个文件中去。如果因初始运算结果文件的结果设置数超出 而导致中断的话，需在重新启动前将初始结果文件名改为另一个不同的文件名。这 可通过执行a s s i g n 命令( u t i l i t ym e n u f i l e a n s y sf i l eo p t i o n ) 实现。 如果由于不收敛、时间限制、中止执行文件( j o b n a m e a b t 文件) 或其它程序诊断 错误引起程序中断的话，数据库会自动保存。求解输出文件( j o b n a m e o u t 文件) 会列 出这些文件和其它一些在重新启动时所需的信息。如果文件r o b ，l d h i ，或r n n n 在先 前运算中偶然生成，在进行单架构重启前你必须删除他们。 在交互模式中，已存在的数据库文件会首先写入到备份文件( j o b n a m e d b b 文件) 中。在批处理模式中，已存在的数据库文件会被当前的数据库信息所替代，不进行备份。 2 般重启动的步骤 重启动分析的步骤如下： ( 1 ) 进入a n s y s 程序，给定与第一次运行时相同的文件名( 执行f i l n a m e 命令( u t i l i t y m e n u f ile c h a n g ej o b n a m e ) ) 。 4 0 车用柴油机气缸差热力学仿真分析 ( 2 ) 恢复数据库文件( r e s u m e 命令( u t i l i t ym e n u f i l e r e s u m ej o b n a m ed b ) ) 于是 进入求解处理器( s o l u 命令( m a inm e n u s o lu tio n ) ) ( 3 ) 说明这是重启动分析( 执行a n t y p e ，r e s t 命令( m a i nm e n u s o l u t i o n r e s t a r t ) ) ( 4 ) 按需要规定修正载荷或附加载荷，从前面的载荷值调整坡道载荷的起始点，新加 的坡道载荷从零开始增加，新施加的体积载荷从初始值开始。删除的重新加上的 载荷可视为新施加的负载，而不用调整。待删除的表面载荷和体积载荷，必须减 小至零或到初始值，以保持j o b n a m e e s a v 文件和j o b n a m e o s a v 文件的数据库一 致。如果是从收敛失败重新启动的话，务必要采取所需的正确操作。 ( 5 ) 指定是否要重新使用三角化矩阵( t r i 文件) ，可用以下操作： 命令：k u s e 缺省时，a n s y s 为重启动第一载荷步计算新的三角化矩阵，通过执行k u s e ，1 命令， 可以迫使再使用已有的矩阵，这样可节省大量的计算时间。然而，仅在某些条件下才能 使用j o b n a m e t r i 文件，尤其当规定的自由度约束没有发生改变，且为线性分析时。通 过执行k u s e ，- 1 ，可以使a n s y s 重新形成单元矩阵，这样对调试和处理错误是有用的。 有时，可能需根据不同的约束条件来分析同一模型，如一个四分之一对称的模型( 具 有对称一对称( s s ) ，对称一反对称( s a ) ，反对称一对称( a s ) ，反对称一反对称( a a ) 条 件) 。在这样的情况，必须牢记以下要点： 、 1 ) 四种情况( s s ，s a ，a s ，a a ) 都需要新的三角化矩阵。 2 ) 可保留j o b n a m e t r i 文件的副本用于各种不同工况，在适当时候使用。 3 ) 以使用子结构( 将约束节点作为主自由度) 以减少计算时间。 ( 6 ) 发出s o l v e 命令初始化重启动求解。 ( 7 ) 对附加的载荷步( 若有的话) 重复步骤4 ，5 ，和6 ，或使用载荷步文件法产生和 求解多载荷步，使用下述命令： 命令：l s w r i t e ；命令：l s s o l v e 。 ( 8 ) 按需要进行后处理，然后退出a n s y s 。 3 从不兼容的数据库重新启动非线性分析 有时，后处理过程先于重启动，如果在后处理期间执行s e t 或a s v e 命令的话，数 据库中的边界条件会发生改变，变成与重启动分析所需的边界条件不一致。缺省条件下， 程序在退出前会自动保存文件。在求解结束时，数据库存储器中存储的是最后的载荷步 4 l 广西大学硕士掌位论文 车用柴油机气缸盖热力学仿真分析 的边界条件( 数据库只包含一组边界条件) 。 p o s t l 中的s e t 命令( 不同于s e t ，l a s t ) 为指定的结果将边界条件读入数据库， 并改写存储器中的数据库。如果接下来保存或退出文件，a n s y s 会从当前的结果文件开 始，通过d s 和f s 改写数据库中的边界条件。然而，要从上一求解子步开始执行边界 条件变化的重启动分析，需要有求解成功的上一求解子步边界条件。 4 边界条件重建 要为重启动重建正确的边界条件，首先要运行“虚拟”载荷步，过程如下： 1 ) 将j o b n a m e o s a v 文件改为j o b n a m e e s a v 文件。 2 ) 进入a n s y s 程序，指定使用与初始运行相同的文件名( 可执行f i l n a m e 命令，( o t i l i t y m e n u f ile c h a n g ej o b n a m e ) ) 。 3 ) 恢复数据库文件( r e s u m e 命令( u til it ym e n u f il e r e s u m ej o b n a m e ) ) ，然后进入 s o l u t i o n 程序( s o l u 命令( m a i nm e n u s o l u t i o n ) ) 。 4 ) 指明这是重启动分析，命令为a n t y p e ，r e s t ( m a i nm e n u s o l u t i o n r e s t a r t ) 。 5 ) 从上一次已成功求解过的子步开始重新规定边界条件，因解答能够立即收敛，故一 个子步就够了。 6 ) 执行s o l v e 命令。 ( m a i nm e n u s o l u t i o n c u r r e n tl so rm a i nm e n u s 0 1 u t i o n r u nf l o t r a n ) 。 7 ) 按需要施加最终载荷及加载步选项。如加载步为前面( 在虚拟前) 加载步的延续，需 调整子步的数量( 或时间步步长) ，时间步长编号可能会发生变化，与初始意图不 同。如果需要保持时间步长编号( 如瞬态分析) ，可在步骤6 中使用一个小的时间 增量。 4 7 3 多点重启动 如果在做一个非线性静态或全瞬态结构分析，a n s y s i o 0 ( 缺省) 将设立面向多重架 构重启的参数，多重架构重启允许在运行过程中的许多子步保存分析信息。然后在这些 子步重启分析。在进行初始分析前，需要用r e s c o n t r o l 命令建立每个子步保存重启文 件的频率。 当需要重启工作，使用a n t y p e 命令指定重启点和重启类型，可以在重启动点继续 工作( 做好必须的修正工作) 。或者可以在重启动点终止一个载荷步( 改变加载比例) ，然 4 2 广西大学硕士掌位论文 车用柴 由机气缸盖热力学仿真分析 后接着做下一载荷步。 如果想不用多架构重启特征而使用单架构重启，执行r e s c o n t r o l 命令，确保任 何l d h i ，r d b ，和r n n n 文件已从当前目录中删除。 l 多点重启动的要求 要进行多架构重启，需要下列文件： 1 ) j o b n a m e r d b 文件一这是a n s y s 在第一载荷步的第一次迭代时系统自动保存的 数据库文件。这个文件提供了规定了所有初始条件的求解的完整描述。而且不 管对于特定工作进行了多少次重启都一直保持不变。当执行一个工作时，在执 行第一次命令之前，需要输入所有求解必须的信息。包括参数( a p d l ) 构成，和 强制求解设定信息。如果在执行第一次命令前未指定参数，参数将不会保存 到r d b 文件，这样的话，在开始求解前必须使用命令p a r s a v ，重启时使用命令 p a r r e s 保存参数。如果r d b 文件中保存的信息不足以进行重启，则必须在执行 s o l v e 命令之前将附加信息输入重启文件。 2 ) j o b n a m e l d h i 文件一这是指定工作的加载历史文件，他是一个a s c ii 码文件， 类似l s w r i t e 命令生成的文件，它存储了每个载荷步的载荷与边界条件。载荷 与边界条件是为f e 网格存储的，在被存入文件j o b n a m e l d h i 前就被施加到实 体模型并转换到f e 网格。当执行多架构重启时，a n s y s 从这个文件读取重启载 荷步的载荷与边界条件( 类似于l s r e a d 命令) 。通常，因为重启的渐变载荷条件， 需要两相邻的载荷步的载荷与边界条件。这个文件不能修改。因为任何改动都 会引发难以预料的重启情况。这个文件在每个载荷步末被修改，也可能是执行 a n t y p e ，r e s t ，l d s t e p ，s u b s t e p ，e n d s t e p 命令。对于表格型载荷或边界条 件，应该确认a p d l 参数表在重启时可用。 3 ) j o b n a m e r n n n 文件一这个文件包含单元保存记录，类似于o s a v 和e s a v 文件。 它包含所有求解命令和一个载荷步的特定子步的状态。所有r n n n 文件在收敛载 荷步被保存，因此所有单元保存记录是有效的。如果子步不收敛，这个子步将 不会保存r n n n 文件。或者说，来自前面收敛载荷步的r n n n 文件被保存了。它 不支持k u s e 。一个新的硬度矩阵及其相关的t r i 文件将会被新建。r n n n 文件 不保存e k i l l 和e a l i v e 命令。如果在重启时需要e k i l l 或e a l i v e 命令，必须 重新执行这些命令。 4 ) r d b 文件仅当数据库信息在第一载荷步的第一子步有效时才保存。如果在第一载 4 3 广西大学硕士学位论文 军用柴油机气缸蕞热力掌仿真分析 荷步后输入其它信息，并且这些信息为重启所需，那么必须在重启阶段输入这 些信息。当使用参数( a p d l ) 时，这种情况经常发生，所以必须在初始运行时用 p a r s a v 命令保存参数，用p a r r e s 命令在重启中恢复参数。当要改变单元实常值 时，这种情况也会出现。这时就要在重启期间重执行r 命令。在方程求解器层 次不能重启工作( 例如，预条件共轭梯度法) ，工作只能在子步层次上重启( 不管 是瞬态还是n e w t o n r a p h s o nl o o p ) 。 当使用弧长法时，多架构重启不支持a n t y p e 中的e n d s t e p 选项。所有载荷与边界 条件都保存在j o b n a m e l d h i 文件中。因此，对于重启动，删除实体模型的载荷和边界 条件不会导致它们被删除，所以必须直接从节点和单元上删除这些条件才有效。 2 多点重启动的过程 使用下列过程重启动分析： 1 ) 进入a n s y s 程序并指定与初始运行相同的j o b n a m e ，这要执行f i l n a m e 命令( u t i l i t y m e n u f i l e c h a n g ej o b n a m e ) ，使用s o l u ( m a i nm e n u s o l u t i o n ) 进入求解处理器。 2 ) 执行r e s c o n t r o l ，f i l e s u m m a r y 命令决定在哪个载荷步和子步重启动，这个命令将 打开当前目录中所有r n n n 文件的子步与载荷步信息。 3 ) 执行a n t y p e ，r e s t ，l d s t e p ，s u b s t e p ，a c t i o n ( m a i nm e n u s o l u t i o n r e s t a r t ) 命 令恢复数据库文件并指出这是一个重启分析。 4 ) 指定所需的修正载荷与附加载荷，如果是从收敛失败的分析中重启，一定要确定修 改是真正所需的。 5 ) 执行s o l v e 命令开始重启解答。当进行重启时，必须执行s o l v e 命令，包括e n d s t e p 和 r s t c r e a t e 。 6 ) 按预期后处理然后退出a n s y s 程序。 7 ) 如果文件j o b n a m e l d h i 和j o b n a m e r d b 存在，a n t y p e ，r e s t 命令将执行如下： a ) 恢复数据库文件j o b n a m e r d b 。 b ) 从j o b n a m e l d h i 文件中重建载荷与边界条件。 c ) 从r n n n 文件中重建求解命令与状态。 这时可以进入其他命令重写a n t y p e 命令恢复的输入。 作业重启动后，文件在下列几种方式下受到影响： 1 ) r d b 文件不变。所有晚于重启点的载荷步与子步将从l d h i 文件中删除，每个新 载荷步的信息将添加到文件中。 广西大掌硕士学位论文 车用柴油机气缸盖热力学仿真分析 2 ) 所有含有早于重启点的载荷步与子步的r n n n 文件将被保存不变，所有含有晚于 重启点的载荷步与子步的文件将在重启求解前被删除，以免发生文件冲突。r s t 文件根据重启更新，所有晚于重启点的载荷步与子步得来的结果将被删除以防 冲突，新的求解信息将被添加到r s t 文件末尾。 3 ) 当一个作业再从头( 第一子步，第一载荷步) 开始，在新的求解开始之前，当前 目录中当前j o b n a m e 的所有重启文件( r d b ，l d h i ，r n n n ) 将被删除。a n t y p e ， r e s t ，l d s t e p ，s u b s t e p ，r s t c r e a t e 可以用来生成分析中特定载荷步与子步的 结果文件，它必须与o u t r e s 命令联用以写下结果。r s t c r e a t e 进程不会更新或删 除任何重启文件，在一些保存的点允许使用r s t c r e a t e 。 由于进行的是线性静态分析，所以用单架构重启动分析技术。用重启动技术计算的 过程如下图所示。 图4 1 2 重启动技术计算过程 f 唔4 1 2t h ec a l c u l a t i o np r o c e s so f r e s t a r tt e c h n o l o g y 4 5 车用豢油机气缸盖热力掌仿- l g 分析 4 8 螺栓预紧力的确定 4 8 1a n s y s 中螺栓预紧力的施加方法 根据王春寒的说法，a n s y s 软件模拟螺栓预紧力的方法有4 类，分别为： l 直接加载法：设置预拉力单元并施加预应力或者在螺帽螺杆上施加大小相等方向相反 的集中力和面力。 2 等效力法：把螺栓承受的轴向载荷等效为多个集中力或者一个面压力施加在受预紧力 作用的结构上。这种方法不需要建立螺栓的模型。 3 等效应变法：通过施加约束是螺栓产生与预紧力相当的应变达到施加预紧力的目的。 4 等效温度法：给定温度变化使螺栓产生应变来施加预紧力【5 2 1 。 本文中因为没有建立螺栓的模型，所以采取等效力法来模拟螺栓的预紧力。 4 8 2 预紧力的确定 力为 b 3 0 气缸盖的用m 1 4 的螺栓，拟采用性能等级为5 8 级的螺栓，查表得螺栓的预紧 螺栓凸台的面积为 绋= 2 4 5 0 0 ( n ) ( 4 6 ) s = 万( d 2 一d 2 ) = x ( 1 4 2 2 7 9 2 ) = 4 3 7 1 8 ( r a