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湿式缸套变形的影响因素研究

作　者: 郑伟茂
导　师: 张翼
学　校: 中北大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 柴油机缸套变形傅里叶变换有限元
分类号: TK423
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

21世纪能源及环境问题是制约我国经济发展的两个重要因素。我国的汽车保有量在逐年增长，但石油资源却越来越少，环境问题越来越严重。随着大家意识的觉醒，我国对发动机的经济性、排放指标及可靠性的要求也越来越高。缸套变形后，与活塞及活塞环间配合就会变差，不能保持良好的密封，导致发动机漏气量过大，造成环境污染；此外，缸套变形后，在活塞与缸套间不能有效形成油膜，造成发动机摩擦磨损的加剧，导致不必要的浪费甚至引发事故。因此，减小发动机缸套的变形有很重要的意义。本文以某V6柴油机的一半模型为基础，建立了冷态机械负荷下缸套变形的有限元模型，并从有限元的角度验证了模型的正确性。然后分别研究了缸盖螺栓预紧力、缸套下凸肩锥角、缸盖螺栓直径及缸套壁厚四个因素对发动机缸套变形的影响，并对比了缸套在冷态、热态及最大爆压工况下的变形。研究结果表明：(1)缸套上部的变形对螺栓预紧力的变化最为敏感。随着螺栓预紧力的增大，缸套上部的0阶、1阶、2阶、3阶、4阶、5阶变形均随之增大；缸套中部和下部的1阶、2阶、3阶变形也随螺栓预紧力的增大而增大；(2)缸套上部的变形对缸套凸肩下锥角的变化最为敏感。缸套上部的0阶变形随着锥角的增大，由原来的膨胀变形变为收缩变形；缸套中部的0阶、1阶、2阶、3阶及缸套下部的1阶、2阶变形均随锥角的增大而增大；(3)缸盖螺栓直径的大小对缸套各阶的傅里叶系数几乎没有影响；(4)缸套中部的变形对缸套的壁厚最为敏感。随着缸套壁厚的增大，缸套上部和中部的0阶、2阶、3阶、4阶变形均减小，壁厚对其他阶次的影响很小；(5)温度场是造成缸套0阶（膨胀）变形的主要原因，此外，缸内燃气压力的作用会继续增大与燃气接触部分的缸套的0阶变形；(6)最大爆压工况下，缸套上部的1阶、3阶、4阶，缸套中部的1阶、3阶，缸套下部的1阶、2阶、3阶、6阶均比热态下大，说明缸内气体及活塞侧推力的作用，会加大缸套的变形，且缸套下部对其变化较为敏感;(7)最大爆压工况，缸套下部的二阶变形明显增大，说明活塞侧推力会对缸套下部的2阶变形影响较大；(8)最大爆压工况下的1阶、2阶变形比冷态下小，3阶、4阶变形比冷态下大，这对通过测量冷态下的缸套变形来预测实际工作状态下缸套的变形有指导意义。通过以上研究，得出各因素对缸套各阶变形的影响规律，为减小该柴油机及其他机型缸套的变形提供了有力的参考和借鉴。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-23
  1.1 本文的研究背景及意义  13-15
    1.1.1 选题背景及依据  13-14
    1.1.2 课题研究目的及意义  14-15
  1.2 国内外研究现状及动态  15-20
    1.2.1 影响缸套变形的因素  15-16
    1.2.2 国外研究现状  16-17
    1.2.3 国内研究现状  17-19
    1.2.4 缸套变形的数学描述  19-20
  1.3 研究内容及方法  20-23
    1.3.1 研究内容  20-21
    1.3.2 研究方法  21-23
第二章有限元分析理论基础  23-34
  2.1 弹性力学理论基础  23-25
    2.1.1 平衡方程  23
    2.1.2 几何方程  23-24
    2.1.3 物理方程  24-25
    2.1.4 边界条件  25
  2.2 接触问题的基础理论  25-28
  2.3 温度场分析基础理论  28-33
    2.3.1 傅里叶定律  28-29
    2.3.2 导热方程  29-31
    2.3.3 温度场的边界条件  31-32
    2.3.4 稳态热传导微分方程的求解  32-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章冷态下机械负荷对缸套变形的研究  34-44
  3.1 有限元模型的建立  34-37
    3.1.1 单元类型选取以及有限元解的收敛性  34-35
    3.1.2 结构离散  35-36
    3.1.3 模型的材料属性  36-37
  3.2 边界条件  37-39
    3.2.1 位移边界条件  37-38
    3.2.2 螺栓载荷边界条件  38
    3.2.3 接触边界条件  38-39
  3.3 计算结果  39-40
  3.4 模型准确性的验证  40-43
    3.4.1 有限元解的误差及产生原因  41-42
    3.4.2 通过有限元途径验证模型的准确性  42-43
  3.5 本章小结  43-44
第四章不同因素对缸套变形的影响  44-80
  4.1 傅里叶级数的计算  44-45
  4.2 缸盖螺栓预紧力对傅里叶级数的影响  45-54
    4.2.1 螺栓预紧力对 0 阶变形的影响  47-48
    4.2.2 螺栓预紧力对 1 阶变形的影响  48-49
    4.2.3 螺栓预紧力对 2 阶变形的影响  49-50
    4.2.4 螺栓预紧力对 3 阶变形的影响  50-51
    4.2.5 螺栓预紧力对 4 阶变形的影响  51-52
    4.2.6 螺栓预紧力对 5 阶变形的影响  52
    4.2.7 螺栓预紧力对 6 阶变形的影响  52-53
    4.2.8 小结  53-54
  4.3 缸套下凸肩锥角对傅里叶级数的影响  54-63
    4.3.1 缸套下凸肩锥角对 0 阶变形的影响  56-57
    4.3.2 缸套下凸肩锥角对 1 阶变形的影响  57-58
    4.3.3 缸套下凸肩锥角对 2 阶变形的影响  58-59
    4.3.4 缸套下凸肩锥角对 3 阶变形的影响  59-60
    4.3.5 缸套下凸肩锥角对 4 阶变形的影响  60-61
    4.3.6 缸套下凸肩锥角对 5 阶变形的影响  61-62
    4.3.7 缸套下凸肩锥角对 6 阶变形的影响  62-63
    4.3.8 小结  63
  4.4 缸盖螺栓直径对傅里叶级数的影响  63-71
    4.4.1 缸盖螺栓直径对 0 阶变形的影响  64-66
    4.4.2 缸盖螺栓直径对 1 阶变形的影响  66-67
    4.4.3 缸盖螺栓直径对 2 阶变形的影响  67
    4.4.4 缸盖螺栓直径对 3 阶变形的影响  67-68
    4.4.5 缸盖螺栓直径对 4 阶变形的影响  68-69
    4.4.6 缸盖螺栓直径对 5 阶变形的影响  69
    4.4.7 缸盖螺栓直径对 6 阶变形的影响  69-71
    4.4.8 小结  71
  4.5 缸套壁厚对傅里叶级数的影响  71-80
    4.5.1 缸套壁厚对 0 阶变形的影响  73-74
    4.5.2 缸套壁厚对 1 阶变形的影响  74
    4.5.3 缸套壁厚对 2 阶变形的影响  74-76
    4.5.4 缸套壁厚对 3 阶变形的影响  76
    4.5.5 缸套壁厚对 4 阶变形的影响  76-77
    4.5.6 缸套壁厚对 5 阶变形的影响  77-78
    4.5.7 缸套壁厚对 6 阶变形的影响  78-79
    4.5.8 小结  79-80
第五章热机耦合下缸套的变形  80-88
  5.1 气缸套温度场计算  80-84
    5.1.1 缸套温度场计算边界条件  80-84
    5.1.2 气缸套温度场计算结果  84
  5.2 最大爆发压力工况下的热机耦合分析  84-86
    5.2.1 载荷边界条件  84-86
    5.2.2 位移边界条件  86
    5.2.3 缸套在最大爆压工况下的热-结构耦合结果  86
  5.3 本章小结  86-88
第六章不同状态对缸套变形的影响  88-99
  6.1 不同工况对 0 阶变形的影响  90-91
  6.2 不同工况对 1 阶变形的影响  91-93
  6.3 不同工况对 2 阶变形的影响  93-94
  6.4 不同工况对 3 阶变形的影响  94-95
  6.5 不同工况对 4 阶变形的影响  95-96
  6.6 不同工况对 5 阶变形的影响  96-97
  6.7 不同工况对 6 阶变形的影响  97-98
  6.8 本章小结  98-99
第七章结论与展望  99-102
  7.1 全文总结  99-100
  7.2 展望  100-102
附录  102-107
参考文献  107-111
攻读硕士学位期间以发表的论文及取得的研究成果  111-112
致谢  112-113

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