结构非线性因素影响下的燃烧室结构变形特征分析.pdf

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1、第4期(总第213期)车用发动机No．4(SerialNo．213)2014年8月VEHICLEENGINEAug．2O14·设计计算·结构非线性因素影响下的燃烧室结构变形特征分析董洪全。，冯慧华，宋豫(1．北京理工大学机械与车辆学院，北京100081；2．太原科技大学机械工程学院，山西太原030024)摘要：为评估某V型高强化柴油机燃烧室结构的变形特征，考虑燃烧室组合结构非线性因素，建立燃烧室结构变形有限元分析模型，采用有限元非线性求解方法对燃烧室结构变形进行求解，得到燃烧空气缸盖和气缸套的变形量。在此基础上，分析燃烧室结构的变形特征，应用离散傅里叶变换方法对气缸套截面变形

2、进行分解，获得气缸套不同高度截面变形规律。结果表明，燃烧室气缸盖火力面变形对气门的密封性能影响很小，缸盖螺栓预紧栽荷和燃烧室热负荷对气缸套缸口和凸肩处截面变形影响较大，气缸套中下部截面变形以椭圆变形为主，受燃烧室支撑结构的影响，缸套整体出现倾斜变形。关键词：非线性；燃烧室；气缸套；变形DOI：10．3969／j．issn．1001—2222．2014．04．001中图分类号：TK422．4文献标志码：B文章编号：1001-2222(2014)04—000I-06水冷柴油机燃烧室由气缸盖、气缸垫、气缸套和1理论基础活塞构成，燃烧室系统结构变形特性直接影响发动机的整机性能。目前内

3、燃机正向高功率密度方向发1．1接触非线性问题求解理论展，这对燃烧室提出了越来越高的技术要求，以往有非线性接触问题是一种典型的复杂边界条件问关燃烧室结构问题的研究主要集中在气缸盖、活塞题，由于接触面上的接触面积和压力分布随外载荷方面的研究]，研究重点多关注结构热负荷特性以变化，接触面间有可能存在摩擦和传热，因此边界条及考虑热应力与机械应力耦合效应的强度分析，对件是在计算中逐步确定的。在求解计算中接触关系结构非线性因素影响下的燃烧室结构变形特征的研及接触条件是通过约束条件逐步进行搜索确定的。究不多[3]。随着有限元分析技术的应用与发展，求接触面间的接触关系在数学上描述需要满足两个

4、约解具有复杂接触结构的非线性问题已引起研究者的束条件：法向接触条件和切向接触条件。法向接触重视。发动机燃烧室具有接触面多、装配关系复杂条件需要满足无穿透约束，即在约束条件满足后，才的结构特点，因此，在对燃烧室结构变形分析中，除能求解出具有实际物理意义的结果，其数学关系可考虑燃烧室温度影响因素外，还应考虑构件问的接表示为触非线性因素的影响，以此来保证分析计算的准确Au·，z≤h。(I)性一。式中：△“为i点位移增量向量；为单位法向向量；本研究以某V8高功率密度柴油机燃烧室为研h为接触距离容限。究对象，充分考虑燃烧室结构接触非线性因素的影切向接触条件使用库仑接触模型，临界剪切应响

5、，分析其在预紧工况、最高燃烧压力工况和热机耦力取决于法向接触压力：合工况下的燃烧室系统结构变形，并采用离散傅里r一。(2)叶变换方法对气缸套径向变形进行分解，分析缸套式中：为两接触面间摩擦系数；P为接触压力。当截面变形规律，明确燃烧室结构变形特点，为柴油机接触面间的剪应力等于临界剪切应力i时，接触燃烧室的结构设计提供理论依据。面间才会发生相对滑动，以此来判断两个接触面的接触状态是否服从判别条件，进而采用增量方法进收稿日期：2014—03—17；修回日期：2014-07—31基金项目：高等学校学科创新引智计划资助(B12022)作者简介：董洪全(1979一)，男，博士，主要研究

6、方向为动力总成振动与噪声控制；hongquandong@163．corn。通讯作者：冯慧华(1976一)，男，副教授，博士生导师，主要研究方向为动力机械结构振动与噪声预测fenghh@bit．edu．cn。车用发动机2014年第4期行求解，具体求解过程见图l。器孑L温度为353K，传热系数取2000w／(m·K)；缸盖自由表面环境温度为303K，对流传热系数20w／(m·K)；气缸盖水腔壁面温度为363K，传热系数为5000w／(m·K)；燃烧室火力面平均温度为1004K，对流传热系数为1520w／(mK)。由于本机型燃烧室火力面具有对称性，因此将火力面划分为7个区域]，具体

7、火力面分区见图3。由于气缸盖各表面所处环境不同，因此传热系数在不同部位具有不同的数值。目前还无法通过理论计算将缸盖各处表面的传热系数逐个确定，要得到准确图1接触非线性问题求解过程的传热系数还需要先根据经验公式(见式(4))进行1．2燃烧室结构非线性特性设定，再与试验测试结果进行比对，得到与试验测试燃烧室气缸垫结构为单层金属垫片，气缸垫利结果相符的火力面局部对流传热系数。用自身的弹性变形补偿机体顶部与气缸盖之问的粗糙度和不平度，以实现对燃烧室的密封。气缸垫的∑A一。(4)接触压力和闭合距离之间是高度非线性