考虑铸造残余应力的柴油机气缸盖有限元分析.pdf

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1、考虑铸造残余应力的柴油机气缸盖有限元分析孟令春2016年01月中图分类号：TK422UDC分类号：602考虑铸造残余应力的柴油机气缸盖有限元分析作者姓名孟令春学院名称机械与车辆学院指导教师左正兴教授答辩委员会主席张卫正教授申请学位工学硕士学科专业动力工程及工程热物理学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年01月EffectofCastingResidualStressontheFEAAnalysisofCylinderHeadCandidateName：LingchunMengSchoolorDepartme

2、nt:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.ZhengxingZuoChair,ThesisCommittee:Prof.WeizhengZhangDegreeApplied:MasterofScienceMajor：PowerEng.&Eng.ThermophysicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January，2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教

3、师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要铸造是一种包含了大量复杂物理化学过程的金属成型方法，气缸盖作为柴油机中大型复杂铸件之一，其结构可靠性直接影响整机工作可靠性。一方面，柴油机气缸盖具有结构复杂、形状准确，尺寸精度高的特

4、点，导致铸造加工难度大；另一方面，随着柴油机强化程度的不断提高，气缸盖的机械负荷和热负荷大幅度提高。在气缸盖的结构分析时，由于软件接口问题以往绝大多数的研究都未考虑铸造残余应力的影响。本文以灰铸铁气缸盖为研究对象，通过有限元仿真分析的方法，研究了铸造残余应力对柴油机气缸盖应力和疲劳寿命的影响，主要完成的工作如下：（1）通过查阅相关铸造手册设计了气缸盖的铸造系统，采用HyperMesh对气缸盖及其铸造系统进行网格划分并成功导入铸造软件ProCast中，在正确设置铸造工艺参数和程序运行参数的基础上对气缸盖的铸造过程进行

5、了模拟，获得了气缸盖冷却后残余应力场的分布情况。（2）将铸造模拟所获得的残余应力场作为应力边界条件成功导入到Abaqus中，并对气缸盖的材料、载荷和边界条件进行了设置，根据气缸盖在热机耦合工况下的温度和应力情况，确定了气缸盖危险区域。通过分析爆发压力和热负荷对危险部位应力的影响情况，确定了主要载荷。并通过对比未施加与施加残余应力两种情况发现，由于残余应力的同向或异向加载，气缸盖危险部位的应力值会有不同程度的提高或降低。（3）通过对六个应力分量和三个主应力大小和方向的分析得知，残余应力的存在并未改变危险部位的单轴或多

6、轴的应力状态。在恒幅热机负荷循环作用下，鼻梁区及排气道夹壁处仍为单轴应力状态，而喷油器座孔周围，水套处、顶板与气门导管过渡处处仍为多轴应力状态。（4）采用考虑平均应力影响的寿命预测公式，对鼻梁区和排气道夹壁处进行寿命预测；采用基于Mises屈服准则转化得到的寿命估算法，对喷油器座孔处进行寿命预测。并分析了残余应力对危险部位疲劳寿命的影响。关键词：气缸盖；铸造模拟；残余应力；应力状态；疲劳寿命I北京理工大学硕士学位论文AbstractCastingisacomplexmetalformingmethod,whichc

7、ontainsalargenumberofphysicalandchemicalprocesses.Dieselcylinderheadisoneofthelarge-complexcastings,itsstructuralreliabilitydirectlyaffectsthereliabilityoftheengine.Ontheonehand,thecylinderheadhasacharacterofaccurate-shape,highdimensionalaccuracy,resultinginth

8、edifficultyofthecastingprocess;Ontheotherhand,withthedegreeofenhancementofdieselcontinuestoimprove,themechanicalandthermalloadsexertingonthecylinderheadincreasedsignificantly.Inthe