发动机缸盖耦合热应力分析

基于热机耦合的气缸盖强度分析

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｆ￣ｉｇｕｅｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒ
１
前言
ＳｔｒｅｎｇｔｈＡｎｌｙａｓｉｓｏｆＣｙｌｉｎｄｅｒＨｅａｄＢａｓｅｄｏｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌ — ｔｈｅｒｍａｌＣｏｕｐｌｅｄＭｅｔｈｏｄ
ＺｈｕＸｉａｏｐｉｎｇ，ＢａｉＳｈｕ，ＣｈｅｎＹａｎｇ
ａｓｓｅｍｂｌｙｌｏａｄ，ｔｈｅｒｍａｌｌｏａｄａｎｄｇａｓｌｏａｄ．Ｈｅｎｃｅ，ｔｈｅａｃｃｅｐｔａｂｌｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｉｆｎｉｔｅｄｅｍｅｎｔｎａａｌｙｓｉｓｓｈｏｕｌｄｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｗｉｔｈｍｅｃｈｎｉａｃｌ－ａｔｈｅｒｍａｌｃｏｕｐｌｅｄｍｅｔｈｏｄ．Ｔｏｃｏｐｅｗｉｔｈｔｈｅｃｒａｃｋｐｏｂｒｌｅｍｏｆａｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｕｒａｂｉｉｌｔｙｔｅｓｔ，ｔｈｅｍｅｃｈｎｉａｃｌ－ａｔｈｅｒｍａｌｃｏｕｐｌｅｄｍｅｔｈｏｄＷｓａｕｓｅｄｔｏｃｌｃａｕｌａｔｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

柴油机气缸盖的耦合场分析及应用_肖翀

收稿日期:2006-02-21;修回日期:2006-05-23作者简介:肖　翀(1981—),男,湖南省永州市人,博士,主要研究方向为内燃机总体设计、复杂结构的多场数值仿真.设计计算柴油机气缸盖的耦合场分析及应用肖　翀,左正兴,覃文洁,郭良平(北京理工大学机械与车辆工程学院动力工程系,北京　100081) 摘要:应用现代设计方法实现了柴油机气缸盖流场、温度场、应力场的耦合分析,探索了柴油机热、流、固耦合计算的一般方法和具体实施技术。

考察了关键结构对气缸盖温度及应力大小和分布的影响程度,并且就缸盖入口流量对缸盖冷却的影响进行了分析。

关键词:气缸盖;温度分布;流动特性;仿真;计算流体力学;有限元法中图分类号:T K422 文献标志码:A 文章编号:1001-2222(2006)04-0026-04 气缸盖的功能实现是由流场、温度场、应力场等多个物理场共同作用决定的,涉及到流体学、传热学、弹塑性力学等多方面的问题。

对其的研究方法根据手段的不同可分为试验测量法和数值计算法两类;相对于试验测量法,数值计算法可缩短缸盖设计周期、降低成本,已成为现代设计方法的发展方向,越来越受到人们的重视。

随着数值计算软硬件的发展,缸盖应力场的相关数值研究已相当成熟,计算考虑到了机体支撑刚度、缸盖温度场、气缸垫结构组成、气门导杆以及气门残余应力等因素的影响[1-6]。

冷却水的流动研究也成为近年来的热点,实现了对发动机冷却水套速度场和压力场等较准确的CFD 分析,并且通过对水套壁面换热边界条件的设定,获得了整个流场的温度及壁面换热系数的分布[7-12]。

虽然缸盖的数值仿真取得了丰硕的研究成果,但是由于研究过程中众多边界条件经验设定的存在,数值分析结果的可信度和适应性都受到了限制;尤其是在考虑多物理场耦合问题的研究上,仍存在巨大挑战。

本文针对此类问题,以某V6高速大功率柴油机为研究对象,进行了流、固直接耦合传热的计算模拟;并且在此结果的基础上,通过单元转换进一步实现了热、固直接耦合分析;从而使得缸盖流场、温度场、应力场分析在单一计算模型中得以实现。

热机耦合作用下发动机缸盖结构强度及疲劳研究

汽车技术【摘要】以某缸盖为研究对象，开展额定工况下的热平衡试验，并基于流-固耦合方法对水套的流场和缸盖的温度场进行分析。

对缸盖由热载荷与机械载荷产生的耦合应力场进行求解，确定缸盖鼻梁区为应力危险点。

缸盖爆压工况下的高周疲劳安全系数和起停工况下的低周疲劳寿命计算结果表明：考虑热机耦合与不考虑热机耦合的疲劳计算结果差别很大，热机耦合作用不可忽视。

主题词：缸盖流-固耦合耦合应力分析高周疲劳低周疲劳中图分类号：TK422；TH114文献标识码：A DOI:10.19620/ki.1000-3703.20170759Structural Strength and Fatigue Analysis of Engine Cylinder Head Under the Thermo-Mechanical CouplingZhang Junhong,Xu Zhexuan,Hu Huan,Ma Liang,Tang Zhoujie（State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,Tianjin 300350）【Abstract 】Heat balance test was carried out for a cylinder head under rated conditions,and water jacket flow field and cylinder head's temperature were analyzed using flow-solid coupling method.The coupled stress field generated by thermal load and mechanical load of cylinder head was solved to determine the cylinder head bridge zone as a hot spot of stress.The calculation of high-cycle fatigue safety coefficient under cylinder head detonation pressure conditions and low-cycle fatigue life under stop-start conditions show that the calculation results of fatigue,if thermo-mechanical coupling is considered,differs greatly with that when thermo-mechanical coupling is not considered,therefore thermo-mechanicalcoupling effect shall not be neglected.Key words:Cylinder head,Fluid-solid coupling,Coupling stress analysis,High cycle fatigue,Low cycle fatigue张俊红徐喆轩胡欢马梁汤周杰（天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津300350）*基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB0103504）。

柴油机气缸盖的耦合场分析及应用

学、弹塑性力学等多方面的问题。对其的研究方法
１缸盖和水套的流固耦合传热计算
１１流固耦合传热计算的实现原理．
根据手段的不同可分为试验测量法和数值计算法两
类；相对于试验测量法，数值计算法可缩短缸盖设计周期、降低成本，已成为现代设计方法的发展方向，越来越受到人们的重视。
度及壁面换热系数真取得了丰硕的研究成果，
立，即可实现热、流耦合传热的计算（文所采用的本
有限元方法，等式需等效离散为节点矩阵方程）。１２计算模型和边界条件．
流固耦合传热计算的关键是实现流、固交界壁面处热传递的数学描述。由能量守恒可知，流固在界面处，固体传出的热量等于流体吸收的热量。所
以，可采用方程
个ｌ
随着数值计算软硬件的发展，盖应力场的相缸
肖种，左正兴，覃文洁，郭良平
（京理工大学机械与车辆工程学院动力工程系，京北北１０８）００１
摘要：应用现代设计方法实现了柴油机气缸盖流场、度场、力场的耦合分析，索了柴油机热、、温应探流固耦合计算的一般方法和具体实施技术。考察了关键结构对气缸盖温度及应力大小和分布的影响程度，且就缸盖入口并流量对缸盖冷却的影响进行了分析。

热-机耦合条件下气缸盖强度及疲劳寿命分析

点考虑部位。
关键词：气缸盖；固耦合；热疲劳
中图分类号：Ｋ２Ｔ２；Ｈ１４Ｔ４２；Ｈ１２Ｔ１文献标志码：Ａ文章编号ｉ０１～５ｌ２１）０—１７０１０４５（０１１１６— ４
Ａｎｌｓｓｏｅｍａ — ｃａｉａｏｐｉｇｓｒｎｔｎａｉｕｆｙｉｄｒｈａａｙｉｆｔｒｌ—ｍｅｈｎｃｌｃｕｌｔｅｇｈａｄｆｔｅｌｅｏｃｌｅｅｄｈｎｇｉｆｎ
朱小平，震涛，小莉刘俞
（江大学能源工程学系，江杭州３０２）浙浙１０７
摘要：对气缸盖在工作中承受交变载荷，针容易形成疲劳损坏的现象，介绍了一种快速有效的方法来计算气缸盖的疲劳寿命。首先利用Ｈｐｒｅｈ软件建立了有限元模型，ｙｅｍｓ针对不同区域设置了不同的单元密度，通过有关参数来控制网格的质量。然后利用并Ａａｕ软件分别计算了气缸盖的温度场、ｂｑｓ稳态应力场和耦合应力场，在温度场的计算中，将燃烧室火力面划分为３个区域，高＿提ｒ计算精度。在稳态应力场计算中，热应力场近似为稳态场，将在保证精度的同时，为后续的疲劳分析提高了效率。最后采用疲劳分析软件ＭＣＦｔｕＳ —ａｉｅ计算并得到了气缸盖的疲劳寿命分布。研究结果表明：ｇ燃烧室火力面一侧容易发生疲劳损坏，应作为设计的重
ＡｂｓｒｔＡｉｎｇｔｔｔｅｃｌｎｅｒｈａｓｅｓｏｆｒｆｔｇａｇｔａｃ：ｍｉｈａｈｙｉｄｅｄｉａｙｔｏｍａｉｕｅｄｍａｅｗｈｅｎｄｒｔｌｒｔｎｇｌａｎｕｅｈｅａｔｎａｉｏｄ，ａｒｐｉｎｆｅｔｖｔｄｔａ＿ｅａｄａｄｅｃｉｅｍｅｈｏｏｃｌｃｌｔｈｅｆｔｇｅｌｆｆｔｅｃｌｎｒｈａｓｉｔｏｕｅｕａｅｔａｉｉｅｏｈｙｉｄｅｅｄｗａｎｒｄｃｄ．Ｆｉｓｌｕｒｔｙ，ｔｅＦＥＭ — ｏｅｆｔｅｃｌｎｒｈａｓｂｕｌｙｕｓｎｈｍｄｌｏｈｙｉｄｅｅｄｗａｉｔｂｉｇＨｙｐｒｓｏ — ｅｍｅｈｓｆｔｗａｅｗｉｒａｇｎｆｅｅｔｄｅｓｔｆｅｅｅｔｎｈｌｍｅａｉｙｗａｕａａｅｄｗｉｔｍｅｈａａｔｒ．Ａｎｔｅｅｅａｕｅｒｔａｒｎｉｇｄｉｒｎｎｉｙｏｌｍｎｓａｄｔｅｅｅｎｔｑｕｌｔｓｇｒｎｔｅｔｈｅｈｆｈｓｐｒｍｅｅｓｄｈｔｍｐｒｔｒｆｅｄ，ｔｅｓｅｄｓａｅｓｒｓｅｄａｈｅｃｕｉｇｓｒｓｅｄｏｈｅｃｌｎｒｈｅｄｒａｃｌｔｄｂｉｉｌｈｔａｙ—ｔｔｔｅｓｆｌｎｄｔｏｐｌｎｔｅｓｆｌｆｔｙｉｄｅａｗｅｅｃｌｕａｅｙｕｓｎｇＡｂａｕｏｔｒ．Ｉｈａｃｌ — ｉｉｑｓｓｆｗａｅｎｔｅｃｌｕａｔｏｆｔｅｐｒｔｒｅｄ，ｔｏｂｔｏｈａｂｒｆｒｐｗｅｕｆｃｓｄｖｄｄｉｏｔｅｒａｏｉｒｖｈａｃｌｔｏｃｕａｙＩｉｎｏｈｅｔｍｅａｕｅｆｌｉｈｅｃｍｕｓｉｎｃｍｅｅｏｒｓｒａｅｗａｉｉｅｎｔｈｒｅａｅｓｔｍｐｏｅｔｅｃｌｕａｉｎａｃｒｃ．ｎｉｔａｃａｉｎｏｈｅｓｅｄｙｓａｅｓｒｓ，ｔｅａｃｒｃｎｈｆｃｅｙｏｈｅｓｂｓｑｎａｉｕｅａｌｓｓｃｕｄｂｍｐｏｅｅｈｈｒｈｅｃｌｕｌｔｏｆｔｔａ —ｔｔｔｅｓｈｃｕａｙａｄｔｅｅｉｎｃｆｔｕｅｕｅｔｆｔｉｇｎａｙｉｏｌｅｉｒｖｄｗｈｎｔｅｔｅ —

柴油机气缸盖流固耦合传热分析研究

柴油机气缸盖结构非常复杂，功能的实现是其
由流场、度场、力场等多个物理场共同作用决定温应的＿。目前对气缸盖的研究方法主要有仿真计算１ｌ和试验测量两类，与试验测量方法相比，真计算不仿仅可以缩短研制周期、降低研究费用，而且通过仿真还能获得一些试验难以｝量的数据，贝４已成为现代设计方法的发展方向，越来越受到人们的重视。
ｔｉｄｕｎｅｏｉｉｎｏａｅｐｗｅ．Ｔｈｅｒｖｄｉｔｆｒｆｒｈｅａｃｌｔｎｇｔｅｍａｔｅｓａａｎｅｄｒｃｎｄｔｏｆｒｔｄｏｒｙｐｏｉｅｇｓｏｕｔｒｃｌｕａｉｈｒ１ｓｒｓｎｄ
维普资讯
第２９卷第７期
２００８年７月
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学
报
ＶＯ．ＮＯ．１２９７
ＡＣＴＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＡＩ
Ｊ１２０ｕ．０８
柴油机气缸盖流固耦合传热分析研究
骆清国，刘红彬，龚正波，桂勇
（甲兵工程学院机械工程系，北京１０７）装００２
摘要：采用ＡＮＳｒｂｎｈ软件中的ＣＸｍｅｈ模块，柴油机缸盖、盖内冷却水道的ＹＳＷｏｋｅｃＦｓ对缸
ｔｅｍａｉｔｒｉｎ．ｈｒ１ｄｓｏｔｏ

汽车发动机缸盖多场耦合三维有限元分析

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汽车发动机缸盖多场耦合三维有限元分析
作者：作者单位：马寅魏，岑松清华大学工程力学系,北京 100084
本文链接：/Conference_7373246.aspx
一、引言
作为发动机中主要部件，发动机缸盖承受着燃气爆发时的高压、凸轮轴轴承支座反力、气门开关带给气门支座的循环冲击力、气缸盖螺栓等一系列载荷，这对发动机缸盖强度提出了较高要求。发动机缸盖中还布置着复杂的润滑油路、冷却水路、进排气道等结构，此外缸盖还起着密封燃烧室的作用，因此，发动机缸盖的刚度也是发动机设计过程中必须要注意的问题。稳态温度场、热应力场分析作为评价发动机缸盖温度热刚度、热强度的方法目前已成为发动机缸盖整体分析过程中必须的一环。
三、计算结果及分析
运用ＡＢＡＱＵＳ对发动机缸盖进行温度场§韫＆精＊☆
目３＆动机ｎ＆热＆力场丹∞
发动机缸盖火力面最高温度３４５℃，温度分布符合工程经验。热应力场最高应力位于火力面进气口边缘，最大值６７Ｍｐａ。计算结果准确性有待实验验证。
参考文献
；！嚣销絮ｉ撩ｉ｛ｉ：；；黼絮。。。。。艟让。，
二、载荷及边界条件【１】
工程中热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度较低的流体的过程称为总传热过程，简称传热过程。发动机中从燃气通过气缸壁传热到水套或者外界的过程可以视为典型总传热过程，具体分析其传热方式可得下图：
对于各向异性材料瞬态热传导问题，导热微分方程如下，
圃燃薰恒乎咂一
图ｌ发动机缸盖传热过程示意图
汽车发动机缸盖多场耦合三维有限元分析幸
马寅魏岑松（清华大学工程力学系，北京１０００８４）
摘要本文利用有限元商业软件ＡＢＡＱＵＳ对某四缸四冲程发动机缸盖进行了三维稳态热传导．顺序耦合热应力分析。在分析过程中，本文通过经验公式与实验结构相结合的方法确定了发动机缸盖热边界条件，根据发动机缸盖装配情况确定了位移边界条件，最终得到符合工程经验的发动机缸盖温度场．热应力场，为发动机缸盖结构改进提供了参考．关键词：发动机，气缸盖，三维有限元．多场耦合

基于ANSYS的发动机气门热—应力耦合分析

基于ANSYS的发动机气门热—应力耦合分析文章利用ANSYS软件的APDL命令流对气门进行建模，并对其进行热-应力耦合分析，研究气门在高温高压状态下的应力分布情况，结果表明：气门盘部和过渡圆弧位置应力最大，并以实际案例证明了分析结果的正确性，研究结果可为气门的结构优化和疲劳寿命分析提供理论依据。

标签：气门；ANSYS；热-应力耦合引言发动机工作的时候，在气缸体、气缸盖、活塞和气门等组成的密闭环境中，可燃性气体不断地进行燃烧，使这些零件都处于高温、高压的工作环境中，除此之外还受到燃气腐蚀的作用，工况条件十分恶劣，特别是在发动机进气和压缩行程中承担着换气功能的进气门和排气门。

气门在工作过程中，不仅受到高速频繁的落座冲击作用、气缸内部燃气燃烧产生的热应力和交变的拉压应力等作用，还受到高速燃气冲刷和高温气体腐蚀的作用，除此之外，由于气门材料导热系数较小以及冷却条件不好，所以积存在气门上的热量很难散发出去，从而使气门温度上升。

在密闭燃烧空间工作的零件中，气门的温度最高，一般情况下，进气门工作温度为200～450℃，排气门工作温度为600～800℃，有的甚至能达到850～900℃[1]。

通常，许多材料的很多性能都会因受到高温作用而发生变化，如机械性能下降，产生蠕变等等。

气门在工作过程中，除了受到上述的高温作用之外，还要承受气缸内燃气燃烧时产生的高压作用。

耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑两种或者两种以上工程学科的交叉作用和相互影响，常用的耦合场分析包括：热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析等[2]。

耦合场分析方法有两种：直接耦合分析法（是运用包括所有必须自由度的耦合单元类型，只通过一次求解就能够得到耦合场的分析结果，主要用于多个物理场的响应相互依赖的情况）和间接耦合分析法（按照一定的顺序求解两个或多个物理场的分析，它能把第一次场分析的结果作为载荷施加到下一次场的分析中）[2]。

在很多工程实践中，采用ANSYS进行分析时，热分析得到的结果对结构分析有着很大的影响，但结构分析的结果对热分析的影响却不理想，所以一般情况下采用间接耦合分析法来进行热-应力耦合分析。

天然气发动机气缸盖流固耦合传热研究

天然气发动机气缸盖流固耦合传热研
究
天然气发动机气缸盖的流固耦合传热研究是一个复杂且关键的课题。

这是因为气缸盖作为发动机的重要组成部分，不仅承受着高温高压的工作环境，还负责着冷却循环和废气排放等重要功能。

因此，对其传热性能的研究对于提高发动机效率和降低故障率具有重要意义。

流固耦合传热研究的核心在于理解流体（如冷却液或废气）与固体（气缸盖材料）之间的热交换过程。

在这个过程中，流体通过气缸盖表面的对流和辐射作用传递热量，而固体则通过内部导热过程将热量从高温区域传递到低温区域。

这种传热过程受到多种因素的影响，如流体的流速、温度、物性参数，以及固体的材料属性、热传导率等。

为了深入研究这一过程，研究人员通常会采用数值模拟和实验验证相结合的方法。

数值模拟可以通过建立精确的物理模型和数学方程来模拟流体和固体的热交换过程，从而预测气缸盖的传热性能和温度分布。

实验验证则可以通过实际测试来获取气缸盖在不同工况下的温度数据，为数值模拟提供可靠的参考和修正依据。

此外，研究人员还会关注气缸盖的结构设计和材料选择对其传热性能的影响。

通过优化结构设计和选用高热传导率的材料，可以有效地提高气缸盖的传热效率，从而降低发动机的工作温度和热应力，提高发动机的可靠性和耐久性。

综上所述，天然气发动机气缸盖的流固耦合传热研究是一个涉及多个领域的综合性课题。

它不仅需要深入研究传热机制和影响因素，还需要结合数值模拟和实验验证来不断优化设计方案和提高发动机性能。

《热应力耦合分析》课件

《热应力耦合分析》PPT课件
contents
目录
• 热应力耦合分析概述 • 热应力耦合分析的理论基础 • 热应力耦合分析的实现方法 • 热应力耦合分析的案例研究 • 热应力耦合分析的挑战与展望 • 参考文献
01
热应力耦合分析概述
定义与概念
01
热应力耦合分析是指同时考虑温度场和应力场相互作用的有限元分析方法。
多物理场耦合
热应力耦合分析涉及到多个物理场的耦合，如热、力、流体等，这些物理场之间的相互作用机制复杂，需要精确建模和数值求解。
高精度算法与大规模计算的需求
高精度算法
为了获得更准确的结果，需要发展高精度算法，以提高热应力耦合分析的精度和可靠性。
大规模计算
热应力耦合分析涉及的计算规模较大，需要高性能计算机和大规模计算技术来支持。
热传导方程描述了温度场随时间的变化规律，是热分析的基础。
弹性力学基本理论
01
弹性力学是研究弹性物体在外力作用下的应力、应变和位移关系的学科。
02
弹性力学的基本方程包括平衡方程、几何方程、物理方程和边界条件等。
03
弹性力学为应力分析提供了理论基础，是进行热应力耦合分析的重要工具。
热弹塑性理论
直接法的优点是计算速度快，适用于求解简单模型。
然而，直接法对于复杂模型和大规模问题可能会遇到计算效率和精度的问题。
迭代法
迭代法是一种通过迭代更新的方式求解热应力耦合问题的方法。
输标02入题
在每次迭代中，先求解热传导方程得到温度分布，然后将温度分布代入应力应变方程中求解应力分布，如此反复迭代直到收敛。
它有助于避免因温度变化引起的热应力和变形导致的结构破坏和失效。

柴油机气缸盖热-固耦合分析

３柴油机气缸盖应力计算
的有限元计算规模基础上提高计算精度，必须对几何模型进行分区处理，在不同的分区采用不同的单元类
收稿日期：２１－２２；修回日期：２１－３１０１０ —３０１０ —８作者简介：赵心远（９７）男，１７一，山西忻州人，教，士。助硕
考察点
模拟［］燃烧科学与技术．０，７５：６ — ６．Ｊ．２５３（）２３２４０
图１耦合预紧工况下应力曲线图Ｏ
［］张骜．柴油机气缸盖热负荷与排气温度的相关性研究３［］武汉船舶职业技术学院学报，０３４： —５Ｊ．２０（）１１．４［］代秀红．６１４Ｚ１０柴油机缸盖结构强度［］大连：连理Ｄ．大
柴油机气缸盖热一固耦合分析
赵心远刘继全，
（．中北大学机电工程学院，山西太原１００５；２煤炭科学研究总院太原研究院，山西太原３０１．０００）３０６
摘要：在建立气缸盖实体模型的基础上，利用相关边界条件计算了气缸盖上各区域的换热系数，并对气缸盖进行了温度场仿真计算；分析了在多种工况下气缸盖的应力，确定了结构上的薄弱区域。认为当气缸盖受到热一固耦合共同作用时，气缸盖内部拉压情况变得更加复杂，各部分应力呈现明显的非线性。

试验十三热-应力耦合分析稳态热分析

实验十三热－应力耦合分析（稳态热分析）（一）实验目的1．熟悉并掌握ANSYS软件的使用方法；2．掌握如何利用ANSYS进行热－应力耦合分析（稳态热分析）；（二）实验设备及工具安装有ANSYS软件的计算机（三）实验问题描述温度的分布不均会导致部件内部产生热应力，在结构分析中常会遇到需要考虑温度场对应力分布影响的情况。

特别在进行各类燃机的部件，如航空发动机的涡轮盘、叶片等的强度计算分析时通常要考虑热问题。

各类输送管道由于内外温度不同也会产生热应力。

另外材料的性能和其温度是相关的，不同的温度下其性能通常不同，这也会造成部件应力分布的变化。

1。

问题描述一无限长的截面形状和尺寸如图12.1所示的厚壁双层圆管，其内、外层温度分别为Ti和To，材料数据和边界条件如表12.1所示，利用ANSYS程序来求解圆管沿径向的温度分布情况，并求解圆管内沿径向和周向的应力情况。

图12.1 双层管道的截面图表12.1 材料性能参数表材料编号热导率(W/mm.℃) 弹性模量(MPa)泊松比热膨胀系数(－℃-1)1(钢),内层0.0234 2.05E5 0.3 1 0.3 2(铝) ,外层0.152 0.63E5 0.33 2 0.7从上面描述的问题可以看出，本实验属于轴对称问题，可以采用轴对称方法来进行分析。

同时本问题为典型的热－应力耦合问题，可以采用间接法顺序耦合分析的一般步骤进行分析。

因为管道为无限长，故建立模型时轴向尺寸可以是任意大于零的值，且将其一边轴向约束，一边所有节点轴向自由度耦合。

（四）实验步骤1. 建立模型在ANSYS中，首先通过完成如下工作来建立本算例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义材料性能，定义单元类型，建立几何模型并划分有限元网格等。

实验中定义的单元类型和材料属性都是针对热分析的。

下面将详细讲解分析过程。

1.1指定分析标题并设置分析范畴首先，指定本实验的分析路径、数据库的名称、分析标题。

发动机气缸盖三相耦合计算与温度场试验研究-廖明烽

1
华中科技大学硕士学位论文
润滑油也容易氧化变质，既增加机油消耗量，又使零件的润滑条件恶化，导致零件磨损加剧[3]。冷却系统不能正常工作将导致众多问题，但是如果冷却过度，同样也会导致大量负面影响，其中包括： (1) 正常情况下，冷却系统的散热量为燃烧所发出热量的15%～25%左右，倘若冷却过度，会使燃气转变为有用功的热量减少，热量损失增大，进而造成发动机热效率降低，动力性能变差。 (2) 工作温度低，燃油不易蒸发，不利于混合气的形成；同时造成点火困难，燃烧迟缓，发动机易出现工作粗暴、燃烧不完全等现象，直接造成发动机功率下降和燃料消耗量增加等问题。因此，如果冷却过度，会直接导致柴油机有用功的热量减少，热量损失增大。从提高内燃机热效率的角度出发，又希望通过冷却系统散走的热尽可能少，但这必然导致高温、热负荷增大。为均衡两方面影响，必须使内燃机在大部分工况下都能保持在适当的温度范围内，研究表明：一般内燃机出水温度保持在 80 ℃～90 ℃时发动机的动力性、经济性最好[4]。综上所述，冷却系统工作的好坏不仅对柴油机的可靠性产生很大影响，而且还直接影响到柴油机的各项工作指标，其功能是保证发动机在正常的负荷条件下和工作环境中均能处于适合的温度状态并可靠的工作。特别是近年来，随着能源危机的不断加剧，以及国家对 “ 节能减排 ” 的强烈呼吁，使柴油机可靠性及经济性有越来越高的要求。由于柴油机强化程度的不断提高，其热负荷也在不断加大。因此，冷却系统对于柴油机工作性能的影响也越来越显著，合理解决柴油机冷却和传热问题也显得更加迫切。气缸盖作为发动机的关键零部件，结构复杂、工作过程中热负荷很高。气缸盖高温部位是鼻梁区(一般最高温度点是在该区域靠近喷油嘴的地方)。设计时，对上述部位要重点冷却，使最高温度值得到控制，温度场尽可能均匀分布[5]。以此同时，气缸盖内也分布着复杂的冷却水腔，对它布置的优劣，也直接影响着缸盖过冷、过热的问题。因此，在不导致冷却过度的前提下，要防止因气缸盖温度过高或分布不均匀所产生局部热应力过大等现象。通过数值模拟计算方法，综合考虑冷却液流动对流换热、燃烧室燃气放热对缸盖的影响，模拟气缸盖在各种条件下的温度分布情况，结合实验的对比研究，重点分析燃烧室受热严重部位的温度分布情况，为气缸盖的

航空发动机试验舱应力分析和强度设计

航空发动机试验舱应力分析和强度设计1. 引言1.1 研究背景航空发动机是飞机的心脏，它的性能直接影响飞机的安全和效率。

发动机试验舱是对发动机进行性能测试的重要设备，它需要承受高温、高压、高速等多种复杂载荷作用。

对发动机试验舱的应力分析和强度设计显得尤为重要。

随着飞机发动机的不断发展，要求试验舱能够承受更高的工作参数和更严苛的工作环境，这就对试验舱的强度设计提出了更高的要求。

通过对试验舱的应力分析和强度设计，可以确保试验舱在各种复杂载荷下能够稳定工作，从而保证发动机性能测试的准确性和可靠性。

本文将对航空发动机试验舱的应力分析和强度设计进行深入研究，旨在提高试验舱的工作性能，确保发动机试验的顺利进行。

通过对试验舱的结构优化、模拟计算和实验验证，探讨试验舱强度设计的新方法和新技术，为航空发动机试验工作提供理论支持和技术指导。

1.2 研究意义航空发动机试验舱是用来模拟航空发动机在实际飞行中的工作状态，进行性能测试和试验的重要设备。

发动机试验舱的结构设计和强度分析对于确保发动机在飞行中的安全可靠性至关重要。

在进行发动机试验时，试验舱会受到各种载荷（如气动载荷、惯性载荷）的作用，而这些载荷会引起试验舱的应力状态发生变化，从而影响试验结果的准确性。

研究发动机试验舱的应力分析和强度设计具有重要的意义。

通过对试验舱的应力分析，可以帮助工程师了解试验舱在工作过程中的受力情况，从而指导设计改进和优化，提高试验舱的结构强度和稳定性。

强度设计方法的研究可以为开发更加安全可靠的发动机试验舱提供技术支持，降低发动机试验过程中的风险和安全隐患。

对试验舱的结构优化和实验验证的研究可以提高试验结果的准确性和稳定性，为发动机研发和改进提供可靠的技术支持。

研究航空发动机试验舱的应力分析和强度设计具有重要的意义，对于提高发动机试验的效率和安全性具有重要的推动作用。

1.3 研究目的研究目的是为了解决航空发动机试验舱在使用过程中可能出现的应力过大和强度不足的问题，从而确保试验舱的安全性和可靠性。

7FDL-16柴油机气缸盖热结构耦合应力分析

7FDL-16柴油机气缸盖热结构耦合应力分析
李明海;庄斌
【期刊名称】《大连交通大学学报》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】通过CATIA软件进行三维建模,利用Space Claim模块提取流体域,在Fluent模块设置流体边界条件并仿真流动,先后导入Ansys Workbench稳态热和静应力分析模块,设置热边界条件和应力载荷,得到气缸盖的温度场以及热结构耦合应力分布云图。

热结构耦合应力分析可得:热应变最大处在火力面鼻梁区,最大变形量为0.002 1 mm,应力最大处在两排气门之间的鼻梁区,最大应力值为398 MPa,安全系数为2.71,满足实际结构工作的要求标准。

【总页数】5页(P63-67)
【作者】李明海;庄斌
【作者单位】大连交通大学机车车辆工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK4
【相关文献】
1.柴油机缸盖热-机耦合应力分析
2.基于热固耦合的柴油机气缸盖有限元分析
3.大功率内燃机车柴油机气缸盖热结构耦合应力分析
4.基于经济学博弈的视角分析地摊的集聚
5.铝合金柴油机气缸盖热-机耦合应力分析
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机械结构的热应力分析与优化

机械结构的热应力分析与优化一、引言机械结构的热应力分析与优化在现代工程设计中扮演着重要的角色。

随着技术的不断发展，机械结构在各个领域中应用越来越广泛，同时也面临着更加严苛的工作环境和工况。

热应力分析与优化可以帮助工程师更好地理解和应对机械结构在高温、高压等复杂环境下的应力情况，从而提高结构的可靠性和寿命。

二、热应力的原理1. 热应力的产生机理当机械结构工作在高温环境下时，由于不同材料在温度变化时有不同的热膨胀系数，因此会导致结构的尺寸变化。

这种尺寸变化在边界约束下会引起内部应力的产生，即热应力。

热应力的大小与材料的热膨胀系数、温度变化量以及材料的力学性能等因素密切相关。

2. 热应力分析方法热应力的分析通常可以通过数值模拟方法来实现，其中最常用的方法是有限元分析。

有限元分析可以将机械结构离散为多个小单元，在每个单元上求解位移场和应力场，并通过边界条件连接在一起。

通过给定热加载条件后，可以计算出结构在不同温度下的应力分布情况，从而评估结构在工作过程中的热稳定性。

三、热应力分析与优化案例以汽车发动机缸盖的热应力分析与优化为例，来探讨热应力分析与优化在工程设计中的重要性。

1. 热应力分析首先，我们需要建立发动机缸盖的有限元模型，并给定热加载条件，模拟发动机运行时的温度场。

通过有限元分析，我们可以得到缸盖在不同温度下的应力分布情况。

在分析过程中，需要考虑缸盖材料的热膨胀系数、机械性能以及加载条件等参数。

2. 热应力优化根据热应力分析的结果，我们可以发现缸盖在某些局部区域存在较高的应力集中现象。

为了减少这些应力集中带来的结构破坏风险，可以采取一些优化措施。

比如，在应力集中区域增加缓冲层或梁等结构，从而分散应力的集中程度。

此外，还可以通过材料的选择和热处理等手段来改善结构的热稳定性。

3. 优化效果评估经过优化后的缸盖模型可以重新进行热应力分析，通过对比优化前后的应力分布情况，可以评估优化效果的好坏。

如果应力集中现象得到明显改善，缸盖的热稳定性得到提高，则说明优化措施是有效的。

基于热固耦合的柴油机气缸盖有限元分析

基于热固耦合的柴油机气缸盖有限元分析龚金科;何伟;钟超;田应华【摘要】A simulation model of a certain diesel engine was built by ABAQUS to solve the engine cracking problem.The temperature boundary of the model was calibrated based on experimental temperature data.The temperature and stress/deformation distributions of the diesel engine were analyzed based on the thermosetting coupling theory.Three kinds of cylinder center surfaces including convex, flat, and concave surfaces were put forward due to the thermal stress concentration in the bridge of nose area.Simulations were carried out to verify these three projects.It showed that the stress of the concave surface was smaller than others.Reduction of the wall thickness of the center area decreased the maximum stress of the bridge of nose area.The temperature distribution of the analysis model was found to be consistent with the experimental results.The experimental results also verified the accuracy of the thermosetting coupling numerical simulation.In a whole, the investigation in this paper provides the theoretical basis for the optimization design of the cylinder head.%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.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(044)002【总页数】6页(P34-39)【关键词】气缸盖;耦合传热;温度场;热应力【作者】龚金科;何伟;钟超;田应华【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙 410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙 410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙 410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,湖南长沙 410082【正文语种】中文【中图分类】TK422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.为了找出导致缸盖鼻梁区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[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.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.物理方程：平衡方程：协调方程：i=x,y,z;j=x,y,z且i≠j式中:β=αE/(1-2μ)=λαE+2G;G=E/[2(1+μ)];A=μE/[(1+μ)(1-2μ)](拉梅常数)；εkk=e=δxx+δyy+δzz;E为弹性模量;α为线膨胀系数;μ为泊松比为单位体积力在坐标轴上的分量.热固分析计算的有限元方程为：式中:C为结构阻尼矩阵;Ct为比热矩阵;M为质量矩阵;K为结构刚度矩阵;Kt为热传导矩阵;F为总等效结点力列阵;Q为总等效结点热流率向量;u ,T分别为位移、温度载荷[6].本文采用ABAQUS对缸盖进行热固耦合分析，通过热分析模拟缸盖的稳态温度场，将温度场作为载荷加载到模型中.通过以上分析可以得到缸盖的温度分布和应力分布情况，据此分析缸盖火力面情况尤其是鼻梁区位置的情况，并以此为基础进行缸盖的疲劳分析[7-8].具体计算流程如图1所示.2.1 柴油机气缸盖网格仿真模型在进行数值仿真计算前，需对气缸盖模型进行适当简化，如除去不必要的倒角和工艺孔，可避免计算出错并使计算更快收敛.为了减少网格数量，缸盖采用单缸模型，并对缸盖的火力面局部细化，使关键位置的结果更精确.缸体采用6缸中的前3缸以提供充足的约束，使结果更准确.为了提高有限元计算精度，几何模型采用不同的网格类型划分，不同的零件采用不同的单元类型和网格尺寸.通过几何处理后，采用2阶四面体C3D10M网格对气缸盖划分网格，缸体用四面体C3D4网格划分，缸套用六面体C3D8I网格划分，阀门、导管、气门利用六面体和五面体混合单元划分，缸垫利用Gasket单元划分.柴油机气缸盖区域网格模型，其节点数为498 618，网格数为295 259.建立的网格模型如图2所示.2.2 物理模型材料仿真分析的准确与否与所设定的材料物性参数密切相关.在ABAQUS软件中，对固体域分别提供缸盖、缸体、缸套、缸盖螺栓、阀座、导管等固体材料的热传导率、线膨胀系数等.由于材料选用的系数均随温度变化，故列出400 ℃时材料的属性.柴油机气缸盖选用石墨灰口铁，弹性模量为139 000 MPa，泊松比为0.27,线膨胀系数为1.255×10-5(1/K)，传热系数为36.6 W/m·K.其余部件材料特性不一一赘述. 2.3 约束条件对于缸盖而言，由于采用单缸模型，在切开的两个面上采用XSYMM对称边界条件，对于缸体，同样采用XSYMM对称边界条件.为了避免模型出现大的刚体位移，应对X方向和Z方向施加约束，故对缸体主轴承盖螺栓孔的节点施加X方向的固定边界，对缸体底面施加Z方向的固定边界.建立模型约束的目的是建立起各零件之间的相互位置关系，从而确定其在模型中所处的初始位置，约束定义了各部分自由度之间的约束关系.本文中主要采用TIE约束和CONTACT PARI约束，TIE约束中，若节点之间的关系在约束的容差内，节点自由度将绑定在一起，而CONTACT PAIR约束的节点可以判断是否接触而自由开闭，其结果更接近实际情况.相对TIE接触，CONTACT PAIR计算成本高，计算更难收敛.对于大的非线性模型，应综合考虑计算成本和计算精度，因此对于非关键区域，如缸盖和螺栓的接触、缸盖和气阀导管的接触等，采用TIE接触，而缸盖和缸垫的接触、缸盖和阀座的接触采用CONTACT PAIR接触，位置容差为0.2，摩擦因数为0.19.为了模拟发动机的真实情况，按照装配和发动机运行工况顺序加载载荷，分为5个分析步.施加载荷依次分别为：阀座的过盈，缸盖螺栓预紧力，爆压载荷，热载荷，热载荷加爆压载荷.3.1 缸盖温度场分析通过测温实验得到测温点的温度，拟合边界条件，模拟计算后可得缸盖温度，图3为缸盖温度分布.由图3可以看到，排气鼻梁区的温度最高，为382 ℃，火力面的温度整体高于其余区域，高温带分布在进气门鼻梁区和排气门鼻梁区靠近缸心的区域.因为进气的温度低于排气温度，进气道温度也低于排气道温度，所以缸盖进气侧温度比排气侧温度低大约200 ℃.整个缸盖温度分布不均匀，导致缸盖热膨胀不均匀，而产生较大热应力.对于温度明显较高的位置，如排气鼻梁区和进气鼻梁区，应通过改进水套结构降低关键位置的温度，降低火力面的温差.因缸盖外侧要布置塑料罩盖和线束，应将温度分布特性考虑在内.将线束布置在进气侧能有效地降低失效情况的发生，且对于温度较敏感的罩盖等容易产生大变形的零件，应在概念设计阶段考虑温度的不均匀程度，防止变形不均匀导致的密封不严进而产生泄露.3.2 缸盖应力分布由于温度分布不均匀，导致缸盖热应力较大，应力分布如图4所示.每个气门Y方向两侧有应力集中，进气门和排气门的应力集中带呈45°分布带.从变形考虑，因为Y方向的约束小于X方向约束，因此缸盖在X方向不能自由膨胀，导致气门两侧有应力集中带.因此要降低这种热应力，应减少对缸盖X方向的约束，如采用一缸一盖，降低缸盖的热应力，降低缸盖鼻梁区开裂的风险.3.3 缸盖变形分析缸盖Z方向变形如图5所示，从缸盖变形可以看到，火力面缸心区域的变形明显小于周围区域，因为缸心区域的约束较大.因此该区域有热应力集中的风险，要降低该区域的应力集中，可以考虑减小该区域的约束.金属材料的热变形满足下列公式[9]：lt=l0(1+αl×Δt)即随着温度升高，金属的变形增大，缸与缸之间的约束以及螺栓预紧力的作用导致金属的膨胀受到约束.由于缸盖火力面温度不均匀，变形不一致，使得约束进一步增大.鼻梁区温度高，约束大，导致了较大的热应力.传统缸盖的火力面是平的，在垂直方向上l0相等，在同样温度下变形相同，但是鼻梁区温度较高，导致这块区域的变形大于其余区域.通过对缸盖热应力产生的原因进行分析，若要降低鼻梁区的集中应力，则应降低该区域的约束，由于受到缸盖尺寸的限制，X和Y方向的改动极为有限，因此可从Z 方向进行改进.本文提出了3种不同的发动机缸盖方案，通过对比分析，可验证以上结论的正确性，并给发动机缸盖的设计改进提供理论指导.第1种方案采用缸心朝外凸，中心处壁厚比一般缸盖厚1 mm；第2种方案采用普通平缸盖；第3种方案采用缸心朝内凹，中心处壁厚比一般缸盖薄1 mm.3种方案的示意图分别如图6、图7和图8所示.通过3个方案的模拟计算，得到3个方案的火力面的计算结果分别如图9、图10和图11所示.由3个计算结果对比分析，方案3的鼻梁区最大应力最小，比平底板的应力小10 MPa，最大应力减小了2.2%.内凹火力面在受热时金属约束减少，金属得到一定的延伸，导致应力较小[10].因此，降低鼻梁区的厚度可以降低该区域的约束，从而达到降低应力的目的.在缸盖实际生产加工过程中，由于火力面的加工有多个机加工序，很难做成凹形火力面，因此可以通过减薄水套侧鼻梁区域底板厚度，从而降低鼻梁区应力.热应力产生的原因一般有：1)由于材料不同，热膨胀系数也不同导致变形不均匀；2)同种材料由于受热不均也导致变形不均匀.缸盖由同种材料构成，则热膨胀的不同由受热不均匀造成.对缸盖热应力的研究，很大程度上可以等价为对其温度场的研究[11].基于本文中发动机的试验台架，对气缸盖的温度分布进行试验研究，为热固耦合数值计算提供更准确的边界条件，同时也可以用于试验结果与数值模拟结果的对比分析.在发动机气缸盖的传热试验中，试验采用国Ⅳ柴油，燃油温度为40±1 ℃，进气总管进气温度(中冷后)为47±2 ℃(额定工况)，出水温度为90 ℃(额定工况)，热电偶采用穿水套式热电偶.为了验证结果的准确性，在气缸盖上不同位置选取11个点作为测量点，其中5个点为获得的边界条件点，A-F点为验证仿真的准确性点.A点位于喷油器孔3 mm 处，B点位于喷油器孔8 mm处，C点位于进排3 mm处，D点位于进排8 mm 处，E点位于排排3 mm处，F点位于排排8 mm处，由于A，B点位置位于另一侧进排气门处，故图12只显示C-F点位置，图13为试验装备实物图.表1为6个测量点的试验与仿真结果对比.其中误差最大的为4.84%，满足要求.通过试验测点温度与数值模拟的比较，可以验证数值模拟对气缸盖传热分析方法的准确性和可靠性.1)通过ABAQUS进行模拟计算，计算结果表明，高温带分布在进气鼻梁区和排气鼻梁区靠近缸心区域，整个缸盖温度分布不均匀，导致缸盖热膨胀不均匀，产生较大热应力.由于X方向约束大于Y方向，故气门两侧有应力集中，缸心处的约束较大，缸盖火力面区域缸心区的变形明显小于周围区域.2)通过改进发动机缸心中心区域壁厚，设计3种不同的方案，对3种结果进行对比，中心区域壁厚降低，鼻梁区最大应力降低，由此得出缸盖应力集中的原因分析是正确的，且降低鼻梁区的厚度可以降低该区域的约束，达到降低应力的目的. 3)通过测量试验测点温度并与数值模拟实验结果进行对比，数值模拟的结果与试验结果相接近，验证了热固耦合数值模拟对气缸盖传热分析方法的准确性和可靠性.†通讯联系人，E-mail:****************【相关文献】[1] 李红珍,刘宏,郭磊,等.柴油机缸盖热固耦合强度故障诊断与优化设计分析[J].内燃机与配件,2013(8):9-12.LI Hongzhen, LIU Hong, GUO Lei,et al.Cyliner head fauilure diagnosis based on coupled thermal&mechanical method[J].Internal Combustion Engine & Parts,2013 (8):9-12.(In Chinese)[2] 赵维茂,张卫正,原彦鹏,等.柴油机功率强化前后气缸盖的温度场模拟与试验[J].农业机械学报，2009,3(3):51-55.ZHAO Weimao, ZHANG Weizheng, YUAN Yanpeng, et al.Simulation and experiment of temperature field on diesel engine cylinder head before and after enhancement ofpower[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machiner,2009,3(3):51-55. (In Chinese)[3] 赵心远,刘继全.柴油机气缸盖热固耦合分析[J]. 机械工程与自动化，2011，6(3):67-69.ZHAO Xinyuan,LIU Jiquan.Thermal-structure coupling analysis of engine cylinderhead[J].Mechanical Engineering & Automation,2011,6(3):67-69. (In Chinese)[4] 王飞. 航空活塞发动机典型零件的热-固耦合强度有限元分析[D].南京:南京航空航天大学能源与动力学院，2013.WANG Fei. Thermal-mechanical coupling finite element strength analysis of typical partsof aviation engine [D].Nanjing: College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2013. (In Chinese)[5] 徐行军.柴油机冷却系统结构优化及缸盖热应力分析[D].天津:天津工业大学机械工程学院,2010：14-15.XU Hangjun.Structural optimization for diesel engine cooling systems and thermal stress analysis for its cylinder head[D]. Tianjin:College of Mechanical Engineering,Tianjin Polytechnic University,2010:14-15. (In Chinese)[6] 龚金科,田应华,贾国海,等.涡轮增压器轴承体耦合传热的数值仿真[J]. 湖南大学学报：自然科学版,2015,42(4):7-12.GONG Jinke,TIAN Yinghua,JIA Guohai,et al.Numerical simulation on coupled heat transfer of turbocharger bearing[J].Journal of Hunan University:Natural Sciences,2015,42(4):7-12. (In Chinese)[7] 杨万里,许敏,辛军,等.发动机缸盖耦合热应力分析[J].内燃机工程,2007,28(2):47-50.YANG Wanli,XU Min,XIN Jun,et al.Coupling thermal stress analysis of engine cylinderhead[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2007,28(2):47-50. (In Chinese) [8] ERRERA M P, CHEMIN S. Optimal solutions of numerical interface conditions in fluid-structure thermal analysis[J]. Journal of Computational Physics, 2013, 245: 431-455.[9] 操龙飞.金属材料的热膨胀特性研究[D].武汉:武汉科技大学材料与冶金学院，2013.CAO Longfei. Study on thermal expansion properties of steels[D].Wuhan:College of Material and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology,2013. (In Chinese) [10]盖洪武,程颖,姚秀功.柴油机气缸盖鼻梁区热机耦合疲劳分析[J].计算机辅助工程, 2013,8(4):25-28.GAI Hongwu,CHENG Ying,YAO Xiugong.Analysis on thermo-mechanical coupling fatigueof bridge zone of diesel engine cylinder head[J].Computer Aided Engineering,2013,8(4):25-28. (In Chinese)[11]胡友安,李晓东.涡轮增压器蜗壳热裂纹的试验研究[J].河海大学学报:自然科学版,2008,36(6):846-849.HU Youan,LI Xiaodong.Experimental study on heat cracks of turbine housing on turbochargers[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2008,36(6):846-849. (In Chinese)。

柴油机缸盖热固耦合模拟的边界参数探讨及应用

柴油机缸盖热固耦合模拟的边界参数探讨及应用柴油机缸盖是发动机的重要部件之一，其功能是封闭发动机气缸的顶部，并支撑汽缸盖、凸轮轴、进气口、排气口、喷油嘴等器件。

缸盖材料通常为铸铁或铸造铝合金，其在使用过程中会受到高温高压等复杂的工况影响，因此对其性能进行较为严格的要求。

为了研究柴油机缸盖的热力学行为，可以采用热固耦合模拟方法进行分析。

热固耦合模拟是一种数值模拟技术，能够模拟物体在高温和高压下的热、力、变形和破坏等特性。

其基本思想是将物体的热学和力学特性作为本构关系来描述，并通过求解热力学方程、弹性力学方程、热传导方程等来获得物体的温度、应力、变形和破坏等信息。

在进行柴油机缸盖热固耦合模拟时，需要对其边界参数进行探讨与确定。

边界参数是指模拟中需要预设或测量的参数，包括物体的几何尺寸、材料特性、热源、边界条件等。

这些参数的选择和精度将直接影响模拟结果的准确性和可靠性。

在柴油机缸盖热固耦合模拟中，常见的边界参数包括以下几个方面：1.几何结构参数。

包括缸盖的尺寸、形状、重量等。

这些参数通常可以通过3D扫描仪或CAD软件获得。

2.材料特性。

包括缸盖的材料种类、密度、热传导系数、热膨胀系数、弹性模量、屈服强度等。

这些参数通常可以通过材料测试仪器或分析软件获得。

3.热源参数。

包括柴油机所处的工况、燃烧温度、气体流动速度等。

这些参数通常需要通过实验或仿真获得。

4.边界条件。

包括缸盖的外部环境、内部冷却系统、接头连接方式等。

这些参数可以通过实验或仿真获得。

确定好上述参数后，可以采用有限元分析软件(如ANSYS和ABAQUS等)进行热固耦合模拟。

模拟结果可以反映出柴油机缸盖在使用过程中的温度分布、应力分布、变形量等物理量。

模拟结果可以为缸盖设计和优化提供重要的参考信息。

在实际应用中，柴油机缸盖热固耦合模拟可以用于以下方面：1.缸盖材料优化。

通过模拟分析不同材料缸盖的热力学性能，选择最优材料，以提高柴油机发动机的可靠性和耐久性。

柴油机缸盖热固耦合强度故障诊断与优化设计分析

根据市场反馈，某机型柴油机在长时间的运行之后，在缸盖的进气道表面、两个气门分流面上出
结构有限元法对某机型柴油机的气道裂纹故障进行故障模式复原，结合有限元模型和结果提出多个改进方案，对比这些改进方案与原结构，从温度场、
现裂纹，同种机型在台架上做热冲击试验也出现类似故障，图ｌ中可以看到故障件实物相片。从故障现象初步分析判断是缸盖热机耦合应力作用下导致局部强度失效。因此，利用计算方法建立了缸盖温度场到热应力和机械应力，以及最终高周疲劳强度
还要合理布置气门和喷油器。因此，缸盖是柴油机
结构中最复杂，最难设计的零部件之一。本文简单阐述了某机型柴油机的缸盖改进过
程，结合一维热力学工作过程计算、三维ＣＦＤ方法和
豳１缸盖裂纹买物图
变形过大会加速气门座的磨损、气门杆咬死和气缸
２基于模拟技术的分析方法和流程
２．１故障分析
密封破坏等问题，引起 “ 三漏” 问题等等。缸盖设计
时除了考虑在柴油机工作过程中能承受高温高压的燃气的作用，还要有良好的气道、水路设计。同时
的分析方法，缸盖分析和改进流程见图２所示