基于热固耦合的柴油机气缸盖有限元分析

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1、基于热固耦合的柴油机气缸盖有限元分析摘要：针对柴油发动机缸盖失效问题，在ABAQUS软件中以某现产柴油发动机构建仿真模型，通过实验数据标定模型温度边界，运用热固耦合理论对缸盖的温度分布、应力及变形分布进行仿真分析.对于分析中发现的热应力集中的缸盖鼻梁区，提出了缸心外凸、平齐和内凹的3种对比优化设计方案，并进行仿真验证.仿真结果表明，采用缸心内凹设计，降低缸心区域壁厚，可以有效降低鼻梁区最大应力.与试验对比，仿真模型的温度分布符合实际缸盖温度分布，验证了此方法的准确性，为解决柴油发动机缸盖失效问题提供了有效的优化设计方法.中国4

2、/vie　　关键词：气缸盖；耦合传热；温度场；热应力　　中图分类号：TK422文献标志码：A　　FiniteElementAnalysisofDieselEngineCylinder　　HeadBasedonThermosettingCoupling　　GONGJinke，HEanufacturingforVehicleBody，HunanUniversity，Changsha410082，China）　　Abstract：Asimulationmodelofacertaindieselengine.Thetemperatur

3、eboundaryofthemodelentaltemperaturedata.Thetemperatureandstress/deformationdistributionsofthedieselengineosettingcouplingtheory.Threekindsofcylindercentersurfacesincludingconvex，flat，andconcavesurfacesalstressconcentrationinthebridgeofnosearea.Simulationsallerthanot

4、hers.Reductionoftheaximumstressofthebridgeofnosearea.Thetemperaturedistributionoftheanalysismodelentalresults.Theexperimentalresultsalsoverifiedtheaccuracyofthethermosettingcouplingnumericalsimulation.Inaizationdesignofthecylinderhead.　　Keyperaturefield；thermalstres

5、s　　随着中国经济发展，国内商用车市场在近年来稳步增长，根据发动机售后市场调查，国内柴油机普遍面临缸盖失效的问题，在缸盖失效的原因中，12%是缸盖开裂导致，而缸盖开裂的柴油机通常需要更换整机，维修成本昂贵，因此缸盖开裂问题亟待解决.　　气缸盖的作用是用来密封燃烧室，安装配气机构和外围零部件.为了达到密封效果，缸盖上往往需要施加很大的螺栓力，使缸垫产生形变以保证燃气不泄露.在发动机工作过程中，气缸盖火力面直接与高温燃气接触，承受高温高压燃气的冲击[1].由于缸盖结构复杂，冷却系统受到尺寸限制，导致内燃机工作时缸盖各个位置的温度非

6、常不均匀.气缸盖是内燃机工作过程中工作条件最为恶劣的零部件之一.　　气缸盖在螺栓预紧力、阀座的过盈配合、冷热冲击等多个载荷的作用下，局部应力集中现象非常明显，同时，机械载荷和热应力的往复作用使得气缸盖低周疲劳和高周疲劳的问题更为凸显，实践表明，鼻梁区位置易发生开裂失效，导致发动机不能正常工作.　　�榱苏页龅贾赂赘潜橇呵�开裂问题的真正原因，需要了解缸盖的温度分布和应力分布情况，通过缸盖测温试验，使用硬度塞或热电偶可以测量出火力面有限个位置的温度，但很难将整个发动机的温度场和应力分布情况测量出来，需要通过有限元分析解决以上问题[

7、2].　　本文开展了缸盖热固耦合分析[3]，发动机模型采用某现生产发动机缸盖原型，以反应实际缸盖的真实情况.分析了缸盖应力产生的机理，从理论上找出鼻梁区应力集中的原因，针对缸盖鼻梁区开裂问题提出改进方案，为解决缸盖开裂失效问题提供指导.　　1热固分析理论　　由于气缸盖内部存在温差，自由膨胀受到约束，故缸盖会产生热应力，当温度载荷和机械载荷共同作用在气缸盖上时，由线性理论可知，应力由两部分叠加而成[4-5].其中，由温度变化产生的应力，与温度变化成比例，应力在所有方向上相同；另一部分应力由温度不变时外力产生的应力构成.通过对结构

8、应力的分析，对得到的结果施加温度载荷，计算结果即热固耦合分析结果，其结果满足如下方程.