气缸套结构设计说明

1、 .摘要气缸套就是缸套的全称，它镶在缸体的缸筒，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。气缸套分为干缸套和湿缸套两大类。背面不接触冷却水的气缸套叫干缸套，背面和冷却水接触的气缸套是湿缸套。干缸套厚度较薄、结构简单、加工方便。湿缸套直接接触冷却水，所以有利于发动机的冷却，有利于发动机的小型轻量化。柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间,并为活塞起导向作用。燃烧过程中燃气的最高温度可达2 500左右,因此缸套的壁直接受到高温高压燃气作用,而它的外侧又被冷却水包围,在外壁如此大的温差下,气缸套将会产生一定的热应力与热变形。缸套作为薄壁筒类零件，由于较大的温度梯度将使其产生过大的热变形，与活塞组的正常间隙被破坏

2、，磨损增大，高温将使润滑情况恶化，甚至龟裂；而缸套表面温度过低则对柴油机启动、燃烧过程不利，影响发动机的正常运行。由于气缸套是一薄壁圆筒形零件,缸套的不正常变形将破坏活塞与缸套间的正常间隙,导致工作过程的恶化,所以热应力与热变形都需要控制在一定的围。本研究以380柴油机热负荷为研究对象，系统地探讨了有限元法在柴油机缸套设计中的应用，深入研究了柴油机缸套热负荷对性能和可靠性的影响，同时系统的介绍了有限元分析软件ANSYS的分析特点和步骤，与其在工业设计上应用的广泛性与其对各种分析的重要意义。本研究首先阐述气缸套的应用作用与设计意义，介绍关于气缸套的分类和作用等各个方面；利用获得的参考文献的温度场

3、与材料各个特性参数的资料，采用有限元分析软件ANSYS对F170干式缸套的热应力与热变形进行分析探讨，对实现缸套的优化设计提供参考。关键词： 气缸套 有限元 热应力 - 32 - / 38AbstractCylinder liner is the name that we call the liner of a cylinder.It sets inside the cylinder barrel and makes up of the combustion chamber together with the piston and cylinder head. Cylinder liners

4、have two kinds: dry and wet cylinder liner .The kind that doesn't touch the cooling water in its back is dry cylinder, the other kind liner is wet liner. The dry cylinder is very thin, very simple and easy machining. Wet cylinders contact with the cooling water directly so that for the engine co

5、oling and the simplification of engine.The cylinder of diesel engines is the space for gas combustion and expansion and it also works as the guiding role for piston. In the process of gas combustiontemperature can reach to 2 500 degrees Celsius, therefore the inside wall of cylinder liner is directl

6、yunder the high temperature and high pressure gas, and its outside wall is surrounded by cooling water. Sounder the huge difference of temperature the cylinder liner will produce certain thermal stress and deformation. As a spares of thin walls the cylinder liner will produce thermal deformation whi

7、ch is too seriously due to the big temperature difference and will also break the normal clearance of piston groups make more serious friction. The high temperature can make the lubricating property worse, even chap. However if the temperature of cylinders surface is too low it will affect the start

8、ing and combusting process of diesel engine and also affect its normal operation. As a spare of thin walls the abnormal deformation of cylinder liners will break the normal clearance between piston and cylinder and lead the operating process to getting worse. So the thermal stress and thermal deform

9、ation should be controlled in permitting range.This study takes aid at 380 diesel engine cylinder liners, discusses the application of FEM in diesel engine cylinder liners systemic and studies the thermal load of diesel engine cylinder liners affection to the security and reliability. Besides, I als

10、o introduce the analyzing feature and procedure of FEM software ANSYS and the universality and importance of its application.This study firstly introduces cylinder liners function and its design significance and then introduces the classification and function and so on. I take use of the thermal fie

11、ld and many parameters that are achieved by me. I also exploit the FEM software ANSYS to analyse the thermal stress and deformation so as to applying the reference of cylinder liners design.Keywords: cylinder liner, FEM, strain目录摘要IAbstractII目录IV第一章引言- 1 -1.1燃机气缸套热应力研究的意义- 1 -1.2燃机气缸套热应力研究的国外状况- 1 -

12、1.3 本研究的主要容与意义- 2 -第二章气缸套结构设计- 3 -2.1 气缸套分类- 3 -2.1.1 干式气缸套- 3 -2.2.2 湿式气缸套- 3 -2.2 气缸套损坏现象和原因- 4 -2.2.1 气缸镜面磨损- 4 -2.2.2 气缸套外壁的腐蚀- 5 -2.3 气缸套的材料和表面处理- 5 -2.3.1 球墨铸铁- 6 -2.3.2 高磷铸铁- 6 -2.3.3 合金铸铁- 6 -2.4 气缸套的结构设计和基本尺寸- 7 -2.4.1 干式气缸套- 7 -2.4.2 湿式气缸套- 7 -2.5 实体绘图软件对气缸套的绘制过程- 8 -2.5.1 关于实体绘图软件Pro-E- 8

13、 -2.5.2 气缸套实体的绘制过程- 10 -2.6 提高气缸套使用寿命的有关措施- 11 -第三章气缸套温度场计算的导热方程与其边界条件- 13 -3.1导热微分方程与其边界条件的选取- 13 -3.1.1 导热微分方程- 13 -3.1.2 边界条件的选取- 15 -3.2 缸套温度场计算- 16 -3.2.1 燃气侧的边界条件- 16 -3.2.2 缸套与机架的边界条件- 17 -3.2.3 冷却水与缸套外侧的边界条件- 17 -第四章气缸套热应力和热变形的有限元模型的建立- 18 -4.1 数值计算方法的分析与选择- 18 -4.2 气缸套有限元模型的建立- 19 -4.3 应用软件

14、的介绍与其具体建模过程- 19 -4.3.1 Pro-E实体绘图软件简介与具体绘制结果- 19 -4.3.2 ANSYS有限元分析软件简介与具体建模结果- 20 -第五章缸套热负荷加载分析与结果- 26 -5.1 缸套热负荷加载分析- 26 -5.2 加载- 26 -5.3 结果分析- 29 -参考文献- 30 -致- 32 -第一章 引言1.1燃机气缸套热应力研究的意义 作为一种热能动力机械，燃机的工作过程始终离不开热现象，始终会受到热应力的影响。因而热应力在很大程度上主宰着柴油机的经济性，可靠性以与其他各项重要的技术经济指标。尤其是热负荷对气缸套的产生的应力影响，会对发动机的整体性能产生很

15、大的影响。即使在强化程度较低的柴油机上也己普遍有所反映，在柴油机负载日益增强的今天，研究柴油机气缸套热负荷问题已是非常紧迫的任务了。 柴油机向高强化方向的发展使其零部件的机械负荷和热负荷不断增大，而柴油机的气缸套是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，并为活塞起导向作用，它的不正常变形将破坏活塞与缸套间的正常间隙，导致工作过程的恶化。随着高速化、大功率与增压技术的发展，柴油机的强化程度不断提高势必引起发动机热负荷增加，从而使得气缸盖和气缸套的温度偏高，润滑条件恶化，气缸磨损加剧。因而，如何降低柴油机气缸套的热应力，则是提高其整机性能的重要研究课题。1.2燃机气缸套热应力研究的国外状况 对于燃机气缸套热应

16、力的研究，根据温度场和热变形的研究方法，分为直接的实验测量方法和数值计算方法。 首先介绍试验测量方法的发展状况，随着测试技术的发展以与测量精度的不断提高，人们越来越多地运用一些高科技手段以与先进的测量方法对缸套的温度场和热变形进行分析检测，现代的测量方法已经由最初的硬度法、热电偶法、易熔合金法等发展到目前的热弹效应法、同位素法、氢化技术等。现代的测量方法不仅测量更加准确，而且测量的数据更加广泛、更加灵活。但是实验测试方法只能在整体样机生产出来以后才能采用，无法在设计阶作为一种测试设计的手段。而数值计算方法使得设计人员可以在设计阶段对缸套有相对准确的了解，进而在设计阶段便能解决一些热负荷方面的问

17、题。由于这种方法更加符合现代设计方法的发展方向，所以它越来越受到人们的重视。对于数值计算方法应用的发展已有相当长的时间了，运用数值计算方法计算缸套的温度和热变形，一般要建立温度数学模型（包括导热微分方程和边界条件的建立）。然后运动特定的数学计算方法建立具体的几何模型，最后把边界条件附加于具体的几何模型上便可进行有效地计算。所以该方法是随着导热边界条件计算和数值计算方法的发展而发展的。导热微分方程是一广义导热定律的总结，而一直沿用至今的是傅里叶导热微分方程。而边界条件的确定方法发展到现在逐渐形成了两种主要的方法，即以实验测量为基础来进行边界条件计算的方法和以理论推导为基础的边界条件计算方法。对于

18、第一种方法，国外的研究机构都做出了大量工作，国外由于设备先进条件优越因此从事实验研究的力度和广度都要比国研究的大。对于第二种方法，是以传热学理论为基础，根据缸套结构和冷却方式运用数学推导的方法来计算获得缸套的传热边界条件。本次研究计算采用的是第二种方法，以380型水冷柴油机气缸套的具体结构和冷却方式为例，通过理论计算的方法来确定边界条件。1.3 本研究的主要容与意义本课题的工作主要是利用有限元分析对380水冷柴油机缸套进行分析研究计算分析涉与到缸套的边界条件确定、温度场、热变形、热应力等，并利用计算结果针对改善强度、刚度等问题提出修改意见，从而(基于几何结构优化)给出最佳改进方案。具体容如下：

19、1、总结前人曾经做过的关于气缸套温度场和热变形的计算方法，通过总结和分析，提取出合理的适合本研究的研究方法和数据；2、根据传热学的知识，并针对380发动机的具体情况采用合适的公式分析气缸套的边界条件并确定其导热方程与其求解条件，为下一步的有限元分析的准确计算提供保证；3、根据获得的关于380发动机的气缸套的尺寸参数利用Pro/E设计软件绘制气缸套的实体零件图；4、将已经绘制好的380缸套零件图导入有限元分析软件ANSYS中，划分合适的网格，并根据已经确定好的边界条件利用该分析软件进行关于温度场、热应力和热变形的分析；5、通过分析，利用所得结果为气缸套的优化设计提供科学的参考。第二章 气缸套结构

20、设计2.1 气缸套分类 早期的水冷式燃机，气缸套与水套壁是铸成整体的，不用气缸套。气缸的壁直接对活塞起导向作用，气缸的外壁则受冷却水的冷却。发动机气缸套有湿式和干式两种，直接与冷却液接触的气缸套是湿式气缸套，而不直接与冷却液接触的是干式气缸套。2.1.1 干式气缸套干缸套不直接与冷却液接触，壁厚一般为13mm。干缸套的外圆表面和气缸套座孔表面均需精加工，以保证必要的形位精度和便于拆装。由于气缸壁的磨损沿高度是不均匀的，通常最大的磨损总是发生在活塞位于上止点附近的部分，所以有的干套并不制成与气缸一样长，而只按部分长度制成。干缸套的优点是气缸体刚度大，气缸中心距小。能保证良好的水密封性，没有穴蚀现

21、象。缺点是传热较差，温度分布不均匀，容易发生局部变形；同时加工面多，加工要求高，拆装要求也高。2.2.2 湿式气缸套湿缸套则与冷却液直接接触，壁厚一般为59mm。缸套的外面有两个保证径向定位的突出的圆环带，分别称为上支承定位带和下支承密封带。缸套的轴向定位是利用上端的凸缘。为了密封气体和冷却液，有的缸套凸缘下面还装有紫铜垫片。缸套的上支承定位带直径略大，与缸套座孔配合较紧。下支承密封带与座孔配合较松，通常装有13道橡胶密封圈来密封冷却液。常见的密封结构形式有两种，一种形式是将密封环槽开在缸套上，将具有一定弹性的橡胶密封圈装入环槽；另一种形式是安置密封圈的环槽开在气缸体上，这种结构对缸套的削弱很

22、小，但是缸体的工艺性较差，因此不如第一种结构应用广泛。缸套装入座孔后，通常缸套顶面略高出气缸体上平面0.050.15mm。这样，当紧固气缸盖螺栓时，可将气缸盖衬垫压的更紧，以保证气缸的密封性，防止冷却液和气缸的高压气体窜漏。湿缸套的优点是在气缸体上没有密闭的水套，因此铸造方便，容易拆卸更换，冷却效果也好；其缺点是气缸体的刚度差，易于漏气、漏水。湿缸套广泛应用于柴油机上。2.2 气缸套损坏现象和原因气缸套损坏的现象有两种：气缸镜面的磨损和气缸套外壁的腐蚀。在设计时，必须根据一般燃机气缸套在使用中产生的磨损和腐蚀现象，分析原因，采取相应的措施。2.2.1 气缸镜面磨损 使用实践表明，气缸镜面的磨损

23、有以下几种情况：正常磨损、磨料磨损、熔着磨损与腐蚀磨损等。正常磨损时活塞环与气缸镜面摩擦引起的，也称为摩擦磨损。气缸镜面的最大磨损位置是活塞在上止点时第一环附近的位置，往往形成一个明显的台阶。因为在此位置，活塞环对气缸镜面压力最大，加上气缸上端的温度较高，金属的抗磨性下降，同时，活塞在上止点时速度为零，油膜则不容易形成，所以气缸镜面下部的磨损也较大一些。磨料磨损是由于吸入空气中含尘土较多，或者严重积碳而造成的。尘土是从上部吸入，积碳也是在上部形成，所以气缸镜面上部磨损比较大。机油时从下往上甩，硬微粒受重力影响作用，因而气缸下部磨损比较显著。磨料磨损的特征是从气缸镜面沿活塞运动方向均匀的平行直线

24、状的拉伤痕迹。熔着磨损的原因主要是在润滑不足的情况下而产生的。活塞和活塞环在气缸镜面中作高速往复运动。润滑不足。工作面之间不能形成油膜，两者摩擦面就有极其微小的部分金属直接接触，由于摩擦形成的局部高散热不走而蓄积到一定程度时就会使二者熔融粘接。此时，如果油膜与时恢复，便可清洗和冷却的作用，使这些微小熔着部分脱落而不扩展；如果油膜恢复迟缓，熔着就扩展，导致在很大围发生异常的熔着磨损，亦即通常所谓的拉缸。熔着磨损一般发生在气缸镜面上部靠近第一环在上止点位置，局部的金属熔融粘着并带有不均匀不规则边缘的沟痕和褶皱。拉缸现象也容易发生在未经磨合的燃机立即带负荷工作的情况下产生。因为未经磨合的燃机气缸镜面

25、较粗，油膜不易形成，气缸镜面与活塞表面凸起处往往发生微小的金属接触，由此造成熔着磨损，甚至发生咬死现象。磨蚀磨损的原因是燃油中含有硫与其它杂质，或由于低温启动频繁而引起。燃油有硫分解时，形成二氧化硫或者三氧化硫，与水接触后就成为亚硫酸或硫酸，使气缸镜面在第一环止点处受到强烈的酸蚀，因而磨损量比正常磨损大12倍；同时，腐蚀剥落的金属微粒在中部造成严重的磨料磨损。中部磨损增46倍。当冷水温度过低时，磨损最高值移向下部。磨蚀磨损时，在气缸镜面上部可以看到有疏松的细小孔穴；若是镜面镀铬，就会在上面看见白斑。2.2.2 气缸套外壁的腐蚀气缸套外壁的腐蚀和穴蚀现象，主要是由于化学作用、作用、液体的冲击作用

26、和机械振动等引起的。其中比较严重的一种是在气缸套的活塞承压面或它对面的外壁上出现的蜂窝状小孔群的穴蚀现象。几年来随着燃机向高速度、高平均压力方向发展，穴蚀现象也日益严重，有时甚至气缸镜面的磨损还没有达到磨损极限，气缸套已被穴蚀击穿而不能使用。产生穴蚀的原因在目前还没有完全弄清楚，一般认为主要是由于气缸套的震动和变形引起的。因为在一个工作循环中，活塞作用在气缸的侧压力反复变化，这就促使气缸套发生剧烈震动和变形。根据对某柴油机的测量，气缸套振动频率约为1200次/S，振幅约为0.0160.08mm。高频率振动的结果，使气缸套外壁的冷却水与气缸套不断发生分裂和撞击，冷却水一旦与气缸套分离，就会形成局

27、部真空，接着溶解在冷却水中的空气就会析出，而产生气泡，同时冷却水在低压情况下也很容易蒸发形成气泡，附着在气缸套外壁上。当冷却水返回来的时候，这些气泡被挤入气缸套外壁微小的针孔中。当气泡受到高压冲击破裂时，就在破裂区附近产生压力冲击波，其值可达数十个大气压，并以极短促的时间冲击针孔周围的金属，致使金属剥落。在下一次冲击时，已露出的新金属表面又继续被剥掉。如此反复，针孔就发展成穴蚀。2.3 气缸套的材料和表面处理气缸套的材料，除了必须具有足够的机械强度和热度之外，还必须有很好的耐磨性、耐腐蚀性、保油性和润滑性，而其中最主要的是耐磨性。目前，气缸套常用的材料有球墨铸铁、高磷铸铁和合金铸铁。以下是它们

28、的简介：2.3.1 球墨铸铁 球墨铸铁具有致密强韧的珠光体基体和球状分布的石墨，强度比普通铸铁高一倍；抗穴蚀性和耐磨性也都是比普通铸铁好。但是由于球化石墨表面积较小，其保油性比石墨片状分布的普通铸铁差，在润滑条件不良时，容易出现局部干摩擦而导致“拉缸”。为获得较好的润滑条件，希望石墨球粒的尺寸越小越好。球墨铸铁气缸套经过适当的研磨和热处理，可以得到良好的研磨表面。球墨铸铁的缺点是铸造工艺比普通铸铁复杂，成本较高。2.3.2 高磷铸铁 一般铸铁中添加磷的成分达到0.30.8% 时称为高磷铸铁，磷在铸铁中形成网分布的三元共晶体，从而提高硬度而获得良好的耐磨性。其耐磨性与球墨铸铁气缸套相接近，但工艺

29、性比球模型铸铁好，省工时，而且磷还可以改变耐腐蚀性能。高磷铸铁的缺点是：由于含磷量增多，材质变脆，而且容易产生缩孔，造成废品。2.3.3 合金铸铁在铸铁中添加镍、铬、铜等合金元素后得到的各种合金铸铁。添加合金元素可以使材料组织均匀，珠光体致密，或促进高硬度的碳化物形成，进一步提高强度、耐磨性和耐腐蚀性。合金铸铁缺点是要消耗贵重金属，熔炼铸造工艺复杂，加工较困难，成本也高。 此外，制造气缸套材料还有：含硼铸铁、稀土钙铸铁、钛钒铸铁、磷钒铸铁以与奥式铸铁等。在一些强化的燃机中，还采用氮化钢来制造气缸套。因为氮化钢的耐热性和耐腐蚀性都很好。在500时，氮化层的硬度下降很少，可以保证在工作温度下的耐磨

30、性。 为了提高耐磨性、耐腐蚀性，还可以采用镀铬、淬硬、喷镀金属钼或其它耐磨性合金等表面的处理的方法。气缸套的材料和表面处理方法，要根据燃机的具体用途、强化程度、使用寿命和制造成本等要求来选择。例如在使用中以磨料磨损为主的拖拉机、工程机械的燃机气缸套，多数采用球墨铸铁、高磷铸铁或者合金铸铁等来制造；对于使用中以磨料磨损为主，同时又兼有腐蚀磨损的农用燃机的气缸套，有时采用奥式铸铁；而磨料磨损比较严重，同时产生熔着磨损倾向又较大的车用强化燃机，特别是坦克燃机的气缸套则多采用钢来制造，并对其镜面氮化或镀铬。2.4 气缸套的结构设计和基本尺寸2.4.1 干式气缸套干套是一个薄壁套筒。它的壁厚一般为23.

31、5mm，目前有减薄的趋势，有的已经薄到1.01.5mm。镶干套的气缸壁厚=0.06D，D为气缸直径，最小壁厚=5mm。干套过去用D/1500左右的过盈压入气缸座合面，而后进行精加工。由于这样压合，更换起来不方便，目前多采用第二钟动配合代替过盈配合，可以用手轻轻推入座合面而不需要压入后再加工，使修理费用降低，但是制造过程中必须对气缸体上的座孔进行研磨和对气缸套的外圆进行精磨。同时，为了防止活塞“咬缸”时，气缸套发生位移，要在气缸套上端作出凸肩或者在气缸套下端装上弹性锁圈来定位。采用前一种方式时，气缸套凸肩超出气缸体上端平面的高度要适当，使气缸盖衬垫压缩后，既能保证气体的密封能力，又不至于引起气缸

32、变形；气缸套的承压面也应该平整，否则拧紧气缸盖螺栓时会引起气缸变形。采用后一种方式可以避免拧紧气缸盖螺栓时由于支承端面的不平而引起气缸的变形。2.4.2 湿式气缸套 湿套的壁厚应该保证气缸套有足够的强度，尤其要有足够的刚度，以减小变形和振动。一般燃机湿套壁厚=（0.0450.085）D左右，D为气缸直径。近年来有些高速柴油机为了避免因缸套的振动而引起的穴蚀，将湿套的壁厚增加到0.09D左右。 湿套与气缸体利用上下两个导向凸缘来定位以保证其正确位置，配合时应保证有一定的间隙，以免受热卡死使湿套发生变形。为了便于安装，下凸缘直径D应略小于上凸缘直径D。一般D=D+（24）mm，D为气缸套的外径。凸

33、肩外径D要尽量小，以保证气缸中心距尽量小。为了保证压紧，一般D-D=68mm。在工作时，凸肩处的温度较高，与气缸水套体间应留下必要的膨胀间隙，一般=0.30.7mm，为保证压紧密封，气缸套凸肩顶面应略高出气缸水套体顶面，一般=0.050.15mm。各气缸公用一个气缸盖时，此值更要严格控制，各缸之间的差额不应超过0.03mm，否则拧紧缸盖以后各缸变形不一致，这会影响密封性。凸肩高度不宜过大，因为凸肩处不宜得到冷却；但也不能太薄，否则不仅容易变形，引起气缸套失圆，而且影响凸肩强度。目前一般燃机气缸套凸肩的高度为510mm。气缸套上凸缘高度应尽量短些，因为在这段高度对气缸壁冷却较差，对第一环传热不利

34、，一般h=715mm。水套长度主要考虑当活塞在下止点时，活塞的密封部应能在冷却水冷却到的围。气缸套的总长度h，当活塞在下止点时允许从气缸套中伸出1025mm。如活塞裙部有油环时，则不允许油环伸出气缸套下缘。 为了保证湿套上端的水封，有些燃机在气缸套凸肩下加一些紫铜垫片，或者凸肩结合面与气缸水套体接合面采用磨合面。当气缸水套体采用铝合金制造时，铝体本身较软，通常可以不必加垫片或磨合。 水套下端的水封通常通常要用24个耐热耐油的橡胶密封圈来来保证。密封槽的形状必须与密封圈不同，使密封圈产生弹性形变而起密封作用。密封槽可以做在气缸体上，也可以做在气缸套上。从便于加工与安装的观点出发，一般多做在气缸套

35、上，但此时必须注意环槽处的最小壁厚不能太小，一般应不小于45mm。此外，环槽的断面应比密封圈的断面大一些，因为橡胶是不可压缩的，如果环槽不够大，在安装或受热后，可能使气缸套变形。2.5 实体绘图软件对气缸套的绘制过程本节主要介绍用实体绘图软件Pro-E对气缸套的绘制过程，通过由其绘制的缸套实体模型导入有限元分析软件ANSYS，并为其热应力等的分析提供前提。此节首先介绍Pro-E软件的工作环境与其应用，然后介绍对气缸套实体的具体绘制步骤。2.5.1 关于实体绘图软件Pro-EPro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric TechnologyCorpora

36、tion，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E独树一帜的软件功能直接影响了我们工作中的设计、制造方法。Pro/E软件抛弃传统CAD软件中的线框和表面模型而直接鉴于3D实体。使设计环境完全从2D或2D与3D混合状态上升为纯3D模式，在此最直观的3D的设计环境中，设计者能更好的捕捉自己的设计意图和激发设计灵感。Pro/E的3D实体鉴于特征造型技术。在Pro/E中，所面向的对象包括几何特征、非几何特征、零件模型、装配模型、模具模型、加工模型等等，设

37、计人员通过对这些对象所具有的在属性、存在方式和存在状态的准确把握来得到理想中的模型。Pro/E中所有的对象都是建立在单一数据库中。并且此数据库是唯一的、完整的，因而保证了在Pro/E中进行的任何设计也都是全相关的。在整个设计过程中的任何一处发生参数改动，可以反应到整个设计过程中的相关环节上。设计师可以依靠此功能完全抛弃传统的工作方法，实现零件设计、模具设计、装配设计、加工设计等过程同时进行。Pro/E的3D特征实体是全参数化的，具有自适应性和智能性。通过完备而准确的参数和资料来驱动实体，产品模型的每一个设计尺寸都对应一个参数，设计人员可以通过命令或者关系式的形式来建立各参数之间的关系，以得到所

38、要求设计的模型。Pro-E的设计准则与方法介绍如下：一、设计准则：1、确定特征顺序；2、简化特征类型；3、建立特征的父子关系，解决关联问题；4、适当采用特征复制操作。二、建模过程：1、分析零件特征，确定特征创建顺序；2、启动零件设计方式；3、创建草绘特征。它是其它特征的父特征，必须注意；4、确定参考平面；5、绘制其它构造特征；6、进行修改和尺寸标注；7、保存图形。2.5.2 气缸套实体的绘制过程 本节以125型湿式气缸套为例，利用Pro-E实体绘图软件，根据平面三视图绘制出其实体结构，基本绘制过程如下： （1）、分析图纸，确定绘制特征与整图的最佳绘图方案。通过图形分析，确定用旋转特征进行实体绘

39、制； （2）、打开PRO-E，新建零件文件，进入零件设计模式； （3）、选择旋转特征创建基础基本特征。选取主菜单命令“插入”“旋转”，进入旋转特征创建； （4）、旋转特征中设定的各项参数如下图2.1所示图 2.1 参数设置（5）、选择草绘平面（此处选择front面），绘制旋转截面；如下图2.2所示： 图2.2草绘截面（6）、单击完成特征按钮，完成旋转特征。得到如下实体模型，如图2.3所示：图2.3 125缸套实体图 （7）、保存文件。 至此，用Pro-E绘制气缸套实体图的工作就完成了，通过实体图的绘制为以后导入有限元分析软件实现对其热应力的分析提供前提基础。2.6 提高气缸套使用寿命的有关措施

40、为了提供湿套的使用寿命，除了选择适当材料与采取适当的表面处理以与正确设计外，还应当采取一系列有效地措施：（1）、提高气缸套孔几何形状的精度，保证与活塞组良好的配合，减少漏气，因而可减小气缸套的磨损。（2）、尽可能减小活塞与气缸套之间的间隙，以减少活塞队气缸套的冲击，因而减小气缸套的振动。（3）、减小往复运动件的重量以减小往复惯性力。这样，可以减小活塞对气缸套的侧压力，也可以减小气缸套的振动。（4）、控制冷却水温度在80以上。因为燃料在燃烧过程中形成的酸性化合物，在气缸温度较高时，就处于气体状态，可以随废气排入大气；若温度低于140，这些酸性化合物就容易凝结在气缸工作表面，加剧腐蚀磨损。（5）、

41、在冷却水中加入抗穴蚀的添加剂以改善抗穴蚀能力。一般采用的添加剂有重铬酸盐添加剂和乳化液、乳胶液添加剂等。这些添加剂都有良好的抗穴蚀能力。（6）、正确的选择和使用空气滤清器，并定期保养，以减少磨料磨损。（7）、严格控制所用燃料的含硫成分，以减小磨蚀磨损。（8）、选择粘-温特性比较稳定的机油，以保证油膜的形成，同时，机油应具有一定的耐酸性或添加碱性添加剂，以减小腐蚀性磨损。此外，机油使用过一段时间后会引起老化，需要定期更换。（9）、通过水质处理以防止水的化学腐蚀，同时通过正确设计水道，减小水的冲蚀。（10）、有些燃机在冷却水套中加以锌棒，将锌棒固定在气缸体水套的工艺螺堵上，利用电化学原理，使腐蚀集

42、中在锌棒上，从而避免气缸套与水套壁的电化学腐蚀。第三章 气缸套温度场计算的导热方程与其边界条件柴油机的气缸套壁直接受到高温高压燃气的作用,燃气的最高温度可达2 500 左右,而外侧又被冷却水包围,在如此大的外壁温差下,气缸套将会产生一定的热应力与热变性。温度场是研究热负荷的基础，因此,研究气缸套的温度场对柴油机的安全运行有重要意义。建立柴油机缸套温度场计算的数理模型,通过数值计算得到气缸套的温度场是一种重要的获得温度场的途径。建立柴油机缸套温度场计算的数理模型,通过数值计算得到气缸套的温度场是一种重要的获得温度场的途径。有限单元法和有限容积积分法是两种不同的方程。3.1导热微分方程与其边界条件

43、的选取3.1.1 导热微分方程发动机工作时气缸气体的温度与压力都是变化的,这种温度的变化频率很高,与发动机转速成正比,并且仅仅在受燃气冲击的零件表面几毫米薄层是变化的,温度变化的振幅较小。因而在柴油机稳定工况下,缸套的热传导可以看做是准稳态导热。物体部某一瞬时所有点的温度分布称为温度场，其中不随时间而变化的温度场称为稳态温度场，这时物体部的温度分布仅为空间坐标的函数，即:t=f (x, y, z).（1）而随时间而变的温度场称为非稳态温度场，温度分布表示为:t=f（x,y,z,t）.（2）发生在稳态温度场中的导热现象称为稳态导热，而发生在不稳态温度场中的导热称为非稳态导热。假设材料物性为常数且

44、各向同性，在直角坐标系中取边长为dx, dy, dz的平行六面体，取为导热系数，则:dQx=-dydz.（3）dQ=-dydz（4）于是得出：dQ-dQ=dxdydz.（5）上式即为在x方向导入微元体的净热流量Q： 同理，在y，z方向导入微元体的净热流量也可以得出。因此三个方向上导入微元体的净热流量为dQ=（+）dxdydz设导热体中有均匀分布的热源，表示单位体积的导热体单位时间所流出的热量，即热源强度，则微元体在单位时间又得到热量:dE=cdxdydz式中c,和分别代表比热容、密度和时间，引入物性参数=（c），称为扩散率（或者导热系数）并根据能量守恒方程得到具有热源的三维非稳态导热微分方程式

45、：=（+）+（6）若导热体不存在热源，可以简化为：=0=（+）.（7）上式指出了温度的变化率些与热扩散率成正比。热扩散率反映了导热程中材料的导热能力(即值)与沿途物质储热能力(即c值)之间的关系。导热系数越大，且单位体积的热容量越小(本身蓄热能力或放热能力越小)的材料，扩散热量的能力越大，热扩散率越大。对于稳态温度场则有（+）=0（8）本文计算中采用了（7）式和（8）式作为计算气缸套温度场与其热变形的热力学基础，然后利用接下来要解析的边界条件来求解该微分方程。3.1.2 边界条件的选取 通常边界条件可以分为三种： 第一类边界条件：给定导热体各边界上的温度分布； 第二类边界条件：给定导热体各边界

46、上的热流密度； 第三类边界条件：给定流体温度t和对流换热系数，对于本研究的380气缸套来说，其周围的介质是高温燃气和冷却水。 对于湿式气缸套,热量先由高温燃气通过对流和辐射传给气缸壁侧表面,由于气缸壁的侧表面以导热方式传给气缸壁的外侧表面,最后通过冷却水的对流把气缸壁的外侧表面的热量带走。为了简化分析过程,主要考虑热对流作用,热辐射的影响也计入对流换热之中。 因此，气缸套燃气侧、冷却水侧与机架侧采用第三类边界条件，缸套下部用的是第一类边界条件。3.2 缸套温度场计算在第三类边界条件中，必须给出换热系数和介质温度才能对气缸套与周围介质之间的换热进行计算。缸传热过程极其复杂，各种传热现象(如导热、

47、对流、辐射)的耦合作用造成理论分析和实验观测都困难，许多机理问题至今未能解决。一般情况下，工质传向气缸壁的热量可以视为辐射和对流过程的综合过程，并以对流为主，但是不能略去辐射部分的影响，对于一个循环的热流量，辐射换热量还不到全部换热量的十分之一，因此，可将辐射换热计入对流换热项一并考虑。表一给出了380柴油机的主要技术参数。表一 380柴油机的主要技术参数表参量数值1h功率/kw20.61h功率转速/(r*min)2800压缩比18气缸直径D/mm80活塞行程S/mm803.2.1 燃气侧的边界条件 燃气侧采用第三类边界条件，包括对流换热系数和温度。采用文献4的公式计算气缸套燃气侧的对流换热系

48、数： a=1.95* 式中: C-活塞平均速度，m/s； p缸气体压力，0.1MPa； T缸气体温度，K。瞬时工作压力p 可以从柴油机测得的示功图上直接读出,而缸工质的瞬时温度根据状态方程计算得到。然后用数值积分法求出燃气平均温度与平均换热系数。当S/ D (行程/ 缸径) 发生变化时, 缸体表面稳态传热边界条件相对值的分布形态才发生相应改变,因为当S/ D 增大时,燃气传给活塞、缸盖的热量减少,即传入气缸体的热量相对增加。柴油机缸体表面稳态传热边界条件有如下分布规律：a(h)=a(h)(1+k)eT (h)=a(h)(1+k)e式中：h汽缸壁上的点距上止点的距离；=h/S(01)，k=0.5

49、37(S/D),k=1.45 k在活塞下止点，活塞顶一下的取为固定温度380K。3.2.2 缸套与机架的边界条件 缸套与机架间的换热系数由缸套与机架间的接触热阻决定。接触热阻的分析计算相当复杂,实验研究也很少提供实用可靠的计算公式,接触热阻值取决于材料性质、接触面粗糙度和表面压力。对于接触热阻的分析计算,因为目前尚缺乏满意的计算公式。针对缸套的几何形状,可以将凸肩顶面、缸套下端面作绝热处理。3.2.3 冷却水与缸套外侧的边界条件冷却水与缸套外侧也按照第三类边界条件计算，对流换热系数按实际情况选为10004000W/(m·K)；冷却水温度T取定值为343K。第四章 气缸套热应力和热变形

50、的有限元模型的建立4.1 数值计算方法的分析与选择 分析气缸套的求解方法通常有分析解法、数值解法和模拟解法三大类。在这些方法中，分析解法所获得的解比较精确，但只限于简单几何形状的物体;数值解法常用于对复杂形状物体的温度场求解;模拟解法所获得的解通常比较粗糙，此外建立实验设备也比较复杂。因此，对于本研究而言，必须采用数值计算方法。 常用的数值计算方法有有限元法、差分法、边界元法等，目前应用最多的是精度最高的有限元法。有限元法也叫有限单元法（finite element method, FEM），是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。有限元法最初的思想是把一个大的结

51、构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。事实上，当划分的区域足够小，每个区域的变形和应力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。理论上可以证明，当单元数目足够多时，有限单元解将收敛于问题的精确解，但是计算量相应增大。为此，实际工作中总是要在计算量和计算精度之间找到一个平衡点。经过半个多世纪的发展和在工程实际中的应用，有限元法被证明是一种行之有效的工程问题的模拟仿真方法，解决了大量的工程实际问题，为工业技术的进步起到了巨大的推动作用。但是有限元法本身并不是一种万能的分析、计

52、算方法，并不适用于所有的工程问题。对于工程中遇到的实际问题，有限元法的使用取决于如下条件：产品实验或制做样机成本太高，实验无法实现，而有限元计算能够有效地模拟出实验效果、达到实验目的，计算成本也远低于实验成本时，有限元法才成为一种有效的选择。对于本研究中气缸套温度场热应力与热变形分析，采用有限元法比较合适。而且有限元法在温度场和热变形的数值计算之间可以进行很方便的数据转换，这对于计算分析比较方便可靠，虽然其计算量大，但随着计算机速度的提高，这些问题已得到解决。本研究首先采用Pro-E实体绘图软件对380湿式气缸套进行1/2实体建模，然后导入有限元分析软件ANSYS，通过加载前面分析的边界条件，

53、对气缸套的热应力和热变形进行建模分析，通过软件的分析结果，实现预期目标。下节是关于实体绘图软件Pro-E和有限元分析软件ANSYS建模过程的简单介绍。4.2 气缸套有限元模型的建立本研究关于气缸套分析模型的建立大体可以分为以下几步：（1）、分析图纸，确定绘图方案；（2）、绘制实体图；（3）、导入ANSYS，选择单元类型并划分合适网格； （4）、加载边界条件并求解； 最后，通过建模分析进行结果评价分析，提出关于优化气缸套结构的方案，并为以后研究气缸套热负荷提供参考。下面将介绍关于本研究应用的实体绘图软件和分析软件。4.3 应用软件的介绍与其具体建模过程4.3.1 Pro-E实体绘图软件简介与具体

54、绘制结果如何用Pro-E对缸套进行实体绘制的方法在前面已经介绍，此处不再赘述本研究采用PRO-E零件绘制模式，用旋转特征即可画就。380湿式气缸套的1/2实体模型绘制结果如图4.1和图4.2所示：图4.1 缸套1/2模型实体（1）图4.2 缸套1/2模型实体（2）4.3.2 ANSYS有限元分析软件简介与具体建模结果一、ANSYS有限元分析软件简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor,

55、 IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模与网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以与多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析与优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明与半透明显示（可看到结构部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。ANSYS软件主要特点：主要技术特点： 唯一能实现多场与多场耦合分析的软件 唯一实现前后处理、求解与多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件 唯一具有多物理场优