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城兴城A-00号柴油机缸套—活塞组热负荷与机械负荷耦合分析--《太原理工大学》2013年硕士论文
柴油机缸套—活塞组热负荷与机械负荷耦合分析
【摘要】：由于柴油机具备热效率高、扭矩大、耐久性好等特点而得到了广泛应用,但随着人们对柴油机动力、经济、排放等重要性能指标不断提出新要求的同时,对其结构的优化改进也随之提出更高的要求。显然,改善燃烧室零部件的工作环境,使其稳定安全的运行进而提高整个柴油机的可靠性是重中之重。活塞及缸套作为燃烧室的重要组成部分,其工作环境十分恶劣,不仅承受着高温燃气周期性的热负荷,还承受着燃气压力、往复惯性力等机械负荷,是活塞拉缸、开裂、变形的原因所在。因此,有必要对缸套-活塞组进行热负荷与机械负荷作用下的有限元分析,计算并分析其应力应变分布情况,为活塞和缸套结构的优化改进提供理论依据。
选用昆明云内动力股份有限公司设计制造的4100QBZ型柴油机作为研究对象,采用UG分别对活塞、气缸套以及活塞环建立三维实体参数化模型,选取适合的单元模型和网格划分方法,在ANSYS Workbench平台中对实体模型进行划分网格。结合柴油机实测相关数据、经验公式以及文献实例,将零部件间的外边界条件转换为单个零部件的内边界条件,确定缸套-活塞组模型各个区域的换热边界条件,从而对柴油机缸套-活塞组在额定工况下进行稳态热分析。采用间接耦合法,将缸套-活塞组的稳态温度场作为结构分析的温度边界条件,分析计算在热负荷、机械负荷以及热力耦合负荷三种情况下组合件的应力及应变分布。通过对比分析三种负荷作用下缸套-活塞组应力应变分布,得出不同区域应力集中和变形过大的主导因素并分析其原因。最后,对结构提出了一些初步探索性的改进意见。
通过上述有限元分析,得到了缸套-活塞组标定工况下的温度场、应力场以及应变分布,为今后的分析设计及结构优化提供了一定的理论依据。
【关键词】：
【学位授予单位】：太原理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TK423【目录】：
摘要3-5ABSTRACT5-10第一章 绪论10-16 1.1 缸套-活塞组热机耦合分析的背景及意义10-11 1.2 国内外柴油机热负荷研究现状11-14 1.3 发展趋势14 1.4 课题研究的主要内容及方法14-16
1.4.1 课题研究的主要方法14-15
1.4.2 拟解决的关键性问题15-16第二章 缸套-活塞组研究的理论基础16-34 2.1 有限元方法的基本理论16-20
2.1.1 有限元方法的特征16-17
2.1.2 有限元方法的发展与现状17-19
2.1.3 有限元方法求解问题的一般步骤19-20 2.2 传热学的相关基本理论20-24
2.2.1 温度场20
2.2.2 导热基本定律20-22
2.2.3 定解条件22-24
2.2.4 对流传热基本理论24
2.2.5 热辐射基本理论24 2.3 弹性力学与热弹性基本理论24-28
2.3.1 弹性力学的基本假设24-25
2.3.2 弹性力学与热弹性理论的基本方程25-28 2.4 接触问题基本理论28-30
2.4.1 界面的接触条件28
2.4.2 接触力的求解计算28-29
2.4.3 接触问题的一般求解过程29-30 2.5 应用软件简介30-32
2.5.1 UG软件介绍30-31
2.5.2 有限元分析软件ANSYS介绍31-32 2.6 本章小结32-34第三章 缸套-活塞组温度场有限元分析34-52 3.1 4100QBZ型柴油机的相关参数34-35 3.2 4100QBZ型柴油机缸套-活塞组实体模型的建立35-37 3.3 4100QBZ型柴油机缸套-活塞组有限元模型的建立37-40
3.3.1 定义材料特性参数37-38
3.3.2 缸套-活塞组模型网格的选取38-39
3.3.3 缸套-活塞组模型网格的划分39-40 3.4 缸套-活塞组换热边界条件的确定40-47
3.4.1 缸内燃气的换热边界条件40-44
3.4.2 缸内润滑油的换热边界条件44-45
3.4.3 冷却水侧的换热边界条件45-46
3.4.4 气缸套外侧的边界条件46-47 3.5 缸套-活塞组的温度场47-50
3.5.1 有限元分析结果47-49
3.5.2 组合体温度场结果分析49-50 3.6 本章小结50-52第四章 缸套-活塞组热机耦合分析52-72 4.1 耦合场分析概述52-53 4.2 耦合分析边界条件的确定53-57
4.2.1 力学边界条件53-57
4.2.2 位移约束边界条件57 4.3 热负荷作用下缸套-活塞组应力应变分析57-62
4.3.1 热负荷作用下缸套-活塞组热应力分析58-60
4.3.2 热负荷作用下缸套-活塞组热应变分析60-62 4.4 机械负荷作用下缸套-活塞组应力应变分析62-66
4.4.1 机械负荷作用下缸套-活塞组的应力分析62-64
4.4.2 机械负荷作用下缸套-活塞组的应变分析64-66 4.5 热力耦合作用下缸套-活塞组的应力应变分析66-71
4.5.1 热力耦合作用下缸套-活塞组的应力分析66-69
4.5.2 热力耦合作用下缸套-活塞组的应变分析69-71 4.6 结构改进的初步探索71 4.7 本章小结71-72第五章 总结与展望72-76 5.1 总结72-73 5.2 展望73-76参考文献76-80致谢80-82攻读学位期间发表的学术论文82
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