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卧式双缸柴油机缸盖热机耦合研究

作　者: 杨世寿
导　师: 毕玉华
学　校: 昆明理工大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 柴油机气缸盖有限元法热应力热机耦合
分类号: TK42
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 84次
引　用: 2次
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内容摘要

缸盖是发动机上最复杂的零部件之一,其底板与活塞头部共同构成了燃烧室。因此,发动机工作时缸盖上承受着很大的热负荷和机械负荷。新型2D25卧式双缸柴油机的开发旨在面向船用和农用机械领域,并针对现有卧式单双缸柴油机存在的技术问题,自主创新设计的新型卧式柴油机。随着科学技术的发展以及人们对生存环境保护意识的提高,对内燃机工作性能、燃油消耗、尾气排放和工作噪声等方面的要求越来越高。为了满足这些要求,开发工作中相继采用了一系列强化和改善内燃机性能指标的新技术。这些新技术的使用使得柴油机缸盖的机械负荷和热负荷大大增加,再加上该机型采用了紧凑性设计方案,使得柴油机缸盖的强度和可靠性问题更加突出。因此,在设计阶段对缸盖进行温度场、应力场以及热负荷和机械负荷共同作用的耦合应力场进行有限元分析,了解缸盖的热负荷状态和综合应力分布情况,进而改进缸盖,提高其工作可靠性具有重要意义。本文采用硬度塞测温法对柴油机缸盖表面关键点温度在标定功率工况下进行了测量,获得了标定工况下缸盖火力面关键点的温度值,分析了缸盖火力面温度在标定工况下的分布情况。采用热电偶测温法对缸盖水腔底板表面关键测点的温度进行测试。通过实测的温度值,计算分析了卧式双缸柴油机缸盖在标定功率工况下的温度场、热应力场,并对比分析了温度场和热应力分布以及实测值与计算值之间的温度差异。同时,本文还计算分析了该柴油机在标定工况下,预紧力工况与爆发压力工况下缸盖的机械应力场,缸盖在机械负荷和热负荷共同作用下的热机耦合应力场,对比分析了热应力和机械应力对热机耦合应力场的影响。通过以上有限元分析与温度场试验研究,获得了该新型柴油机缸盖温度场和应力场分布结果,计算结果表明：发动机在标定功率下运行时,该柴油机缸盖的最高温度为346.3℃；最大热应力发生在温度梯度变化最大的区域,其值为223.8MPa；机械压力作用下,缸盖螺栓安装沉孔发生应力集中,最大机械应力为208MPa；热机耦合应力作用下缸盖鼻梁区上的应力达到231MPa；各个应力作用下缸盖的变形都不大,热机耦合作用力使缸盖的变形达到最大值,为0.102mm；综上可知,该缸盖满足工作要求。此外,通过有限元分析可为该柴油机缸盖的开发设计和改进提供了一定的理论依据,同时也为该公司生产的其他系列产品的有限元分析计算提供了参考。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-17
  1.1 课题背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究概况  10-15
    1.2.1 发动机缸盖实验研究的国内外现状  10-11
    1.2.2 缸盖有限元计算国内外研究状况  11-15
  1.3 课题主要研究内容  15-17
第二章缸盖三维有限元分析理论基础  17-25
  2.1 有限单元法  17-19
    2.1.1 有限单元法概述  17
    2.1.2 有限元法分析步骤  17-19
  2.2 缸盖温度场分析理论  19-20
    2.2.1 温度场仿真问题的微分方程式  19
    2.2.2 边界条件  19-20
  2.3 热应力分析理论  20-21
  2.4 有限元三维机械应力问题的基础理论  21-23
  2.5 接触问题  23-25
第三章缸盖工作温度场测试及分析  25-33
  3.1 缸盖温度场测试的背景与意义  25
  3.2 本课题所采用硬度塞测温法简介  25-26
  3.3 试验材料、试件和设备  26
  3.4 硬度塞回火标定试验  26-28
    3.4.1 硬度塞材料的淬火处理  26-27
    3.4.2 硬度塞材料在不同温度下的回火处理  27
    3.4.3 硬度塞硬度随回火温度变化关系曲线的标定  27-28
  3.5 缸盖温度场测试试验及其结果分析  28-31
    3.5.1 缸盖温度场测试  28-29
    3.5.2 冷却水测试  29-30
    3.5.3 缸盖温度场测试的台架试验  30
    3.5.4 结果分析  30-31
  3.6 本章工作小结  31-33
第四章发动机缸盖热机耦合分析  33-55
  4.1 计算模型的建立  33-36
    4.1.1 缸盖结构概述  33
    4.1.2 缸盖热机耦合分析的难点  33-34
    4.1.3 计算模型的网格划分  34-36
  4.2 缸盖三维稳态温度场的计算与分析  36-45
    4.2.1 温度场计算热边界条件的确定  36-42
    4.2.2 缸盖温度场计算各部件材料属性的定义  42-43
    4.2.3 温度场计算结果分析  43-44
    4.2.4 误差分析  44-45
  4.3 缸盖热应力场的计算与分析  45-47
  4.4 缸盖机械应力场计算与分析  47-50
  4.5 缸盖热机耦合应力场的计算与分析  50-54
  4.6 本章工作小结  54-55
第五章全文总结与展望  55-59
  5.1 全文工作总结  55-56
  5.2 进一步工作展望  56-59
致谢  59-61
参考文献  61-65

卧式双缸柴油机缸盖热机耦合研究

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