发动机缸盖耦合热应力分析
某柴油机缸盖强度计算
某柴油机缸盖强度计算
作者：陈后涛吴东兴陈小方李康宁刘印
来源：《计算机辅助工程》2013年第05期
摘要：以某4缸轿车用柴油机铝合金缸盖为研究对象，用某CFD软件计算得到水套表面的温度和对流换热系数，用Abaqus计算缸盖稳态温度场、装配载荷下冷机的应力分布、装配状态下的热机应力分布和各缸爆发时刻缸盖的应力分布，结果表明缸盖强度低于材料屈服极限.基于应力结果计算缸盖的高周疲劳安全因数和低周循环次数，结果表明缸盖疲劳安全因数满足使用要求.
关键词：铝合金缸盖；温度分布；热应力；疲劳安全因数
中图分类号： TH123.3； TB115.1文献标志码： B
引言
发动机缸盖是个结构复杂的零件，在发动机工作中承受缸盖螺栓预紧力、气门座圈的装配应力、温度载荷和交替的燃气压力等作用.[1]缸盖的强度和疲劳安全因数是缸盖设计中的重要参数，模拟计算结果可以给缸盖的设计提供参考和修改依据.
缸盖的应力主要由温度载荷引起[2]，缸内燃气由BOOST计算结果通过等效计算得到，水套的散热边界由流体软件计算得到，其他表面换热边界由经验值给定.使用Abaqus计算缸盖在装配和爆发时的应力分布，使用fesafe软件计算缸盖的高、低周疲劳.用本文计算方法求得缸盖温度相对准确，且具有通用性，可以用于计算不同机型和结构的缸盖热应力.
1计算模型
1.1有限元网格
计算模型包括缸盖、缸垫、缸盖螺栓、气门座圈和简化缸体等.取整个缸盖划分四面体网格，共有1 411 366个单元.缸盖螺栓采用六面体单元，气门座圈使用四面体单元.计算模型见图1.图 1计算模型
热固耦合条件下气缸盖结构可靠性设计分析
刘 勤 ，等 ： 固耦 合 条 件下 气 缸 盖 结 构 可 靠 性 设 计 分 析 热
面） 目前 对缸 盖 的三 维 有 限元 的计 算 模 型 中 ， ， 大多
对 缸 盖 的结 构作 了很 大 的简 化 。这些 简化 对划 分 网
气侧 温度 ， 进气 侧 ａ 于排 气侧 ； 小
３ １ 功 能 极 限 状 态 函数 的 确 定 ．
根 据响 应面 法ｌ ， 结 构 的真实 响应 ｙ 未 知 的 ＿ 在 ６ ］
情 况下 ， 假定 ｙ 与 影 响 结 构 的 随 机 参 数 向 量 ｘ —
每 次 发 动 机 起 动 后 受 高 温 而具 有 较 大 的 热 应 力， 停机 冷 却 后 ， 复 常温 ， 应 力 消 除 。这样 反 复 恢 热
车
用
发
动
机
２１ ０ １年 第 ５期
的区域在鼻梁 区靠排气孔一侧 ， ＆～ 一 ７２ ×１ 。 ．９ Ｏ
虑结 构特 点 ， 获得 结构 的最 大应变 幅值 ， 即可得 到结 构 的近似 寿命 （ 环次数 ） 循 。若要求 发 动机 的循 环次 数是 Ｎ。时 ， 么 许 用 的 缸 盖 实 际 最 大 应 变 幅 值 那
图 ５ 最 高 燃 烧 压 力 状 态 下 缸 盖 的 应 变 场
的预 紧力 Ｆ 和 材 料 １ Ｏ℃ 的线 膨 胀 系数 。各 参 ５ 数 的均 值和标 准 差见 表 １的后 三项 。
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.1000-3703.20170759
Structural Strength and Fatigue Analysis of Engine Cylinder Head Under the Thermo-Mechanical Coupling
Zhang 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-mechanical
发动机气缸盖常见故障的检修
发动机气缸盖常见故障的检修
摘要：气缸盖结构复杂，壁厚不均匀，在高温高压下各部位热负荷极不均匀，
所有这些都会引起热应力的产生，同时，还承受很大的机械应力的作用。气缸盖
的工作条件相当恶劣，常发生气缸盖裂纹和底平面翘曲变形等故障。
关键词：发动机；气缸盖；常见故障；检修
1气缸盖拆装注意事项
拆卸发动机气缸盖时，必须先拆下进排气歧管、火花塞等气缸盖上有关附件，然后再分别将气缸盖拆下。若没有可靠的吊装设备，把进、排气歧管与两个气缸
盖总成一齐拆卸时，要特别注意，避免用力过重而损坏气缸盖衬垫。冷机时，按
交叉顺序，分2～3次将气缸盖螺栓旋松拧下。气缸盖装复时，要注意每个缸盖
的第一、三缸火花塞孔下部，各有一个定位销孔，要与缸体上的定位销对准。同时，气缸垫也是以这两个定位销孔定位，以保证缸孔、水道孔、油道孔、螺栓孔
均能准确地对准。
注意气缸盖螺栓有两种结构，与气门室罩盖边缘的密封胶垫距离很近处，须
装小尺寸的圆台肩螺栓，因为只能用小尺寸台肩，否则会挤破密封垫，造成机油
泄漏。其余螺栓都是大尺寸圆台肩螺栓。气缸盖螺栓应按拆解相反顺序分2～3
次从中心向两侧交叉均匀拧紧，以保证气缸垫从中心向两侧展平。气缸盖螺栓的
拧紧力矩为170～190N•m。但要注意拧紧时应使拧紧力矩全部转化为对缸垫的压
紧力。当螺栓和螺栓孔出现摩擦，或螺栓制造质量低劣，圆台肩平面与螺栓中心
线的垂直度达不到要求，螺杆及螺纹本身变形，甚至缸体螺栓孔中存有油痕，铁
屑未清理干净时，均会造成缸盖螺栓拧紧时的假力矩，此时，拧紧力矩突然达到
规定值，但缸盖并未压紧缸垫。因此，使用的缸盖螺栓必须是质量合格的零件，
高温环境下机械结构的热应力分析
高温环境下机械结构的热应力分析
在现代工业生产中，许多机械设备运行在高温环境下，这给机械结构带来了很
大的挑战。在高温条件下，机械结构会受到热应力的影响，由此引发各种问题，如变形、材料疲劳等。因此，对于高温环境下机械结构的热应力进行分析和研究具有重要意义。
首先，我们需要了解热应力的产生机理。在高温环境下，机械结构所使用的材
料会因为热胀冷缩现象引起尺寸的变化。当机械结构中的各个部件的温度不一致时，由于不同部件的热胀系数不同，就会产生内部的热应力。这种热应力会使机械结构发生变形，从而影响其性能和寿命。
为了分析高温环境下机械结构的热应力，我们需要采用数值模拟和实验相结合
的方法。首先，可以通过数值模拟方法，如有限元分析，建立机械结构的数学模型。在模型中，考虑材料的热胀系数、材料的本构关系和结构的几何形状等因素。然后，利用计算机对模型进行求解，得到机械结构在高温下的变形和应力分布。通过分析模拟结果，可以了解机械结构在高温环境下的热应力分布规律。
同时，为了验证数值模拟结果的准确性，还需要进行实验。可以通过搭建高温
试验台，将机械结构放置在高温环境中进行测试。在测试过程中，可以通过应变仪、测温仪等设备实时监测结构的变形和温度变化。通过对实验数据的分析，可以与数值模拟结果进行对比，验证数值模拟的准确性。同时，还可以通过实验得到机械结构在高温环境下的实际性能。
热应力分析不仅可以用于预测机械结构在高温环境下的性能，还可以指导工程
设计和优化。通过对热应力的分析，可以找到机械结构中容易产生热应力过高的部位，并进行结构调整和优化。例如，可以在结构中增加导热件、降低热应力集中的位置等。这样可以有效减少机械结构的变形和应力集中，提高其在高温环境下的可靠性和稳定性。
基于无量纲化的缸盖结构参数多目标等权敏感性分析
基于无量纲化的缸盖结构参数多目标等权敏感性分析
摘要
随着发动机越来越趋向于高功率，作为发动机重要零部件的缸盖已经严重制约了功率的提高。由于缸盖结构比较复杂，并且在工作过程中始终承受着高温、高压的燃气冲蚀，气门座圈的过盈力，预紧螺栓的预紧力等，因此优化缸盖的结构以降低其最高温度和最大应力就显得越来越有必要。目前对于缸盖结构优化时多以单一的降低温度或者应力作为优化的目标，很少同时以两者作为优化的目标，或者即使有也只是简单的比较一下某结构的变化对于温度或者应力的影响，并未深度的探讨之间的关系。通过实验测得的数据虽然能够反映真实的情况，但是由于实验成本较高、周期较长而难以实现。
针对上述问题，本文以某柴油机单缸的缸盖作为研究对象，考虑了缸盖、机体、气门座圈、气缸垫、螺栓、缸套、以及冷却水套，采用直接耦合法得出缸盖的温度分布，通过对比试验测得试验点的温度值以证明分析温度场的正确性。在求得正确的温度场的基础上又计算了缸盖在热工况、预紧工况、爆发工况以及耦合工况下缸盖的应力分布，找出应力最大时的工况以及应力点。运用正交试验法分析了冷却水流量、鼻梁区下管道直径、管道角度这三种因素对最高温度和最大应力的影响以及他们的敏感性大小。在多目标优化时可以通过去量纲化使每种优化目标变成无量纲的数值，当优化目标不统一时要把逆指标转化成正指标，然后把多指标根据权重转化为一组无量纲的单目标数值来找出最优组合。本文主要研究内容如下：
1.气缸盖热-流-固耦合分析
通过测量以及参考经验公式或半经验公式确定耦合分析时各部分的边界条件，对于难以确定的流固耦合处传热运用直接耦合法转化成内部边界。运用流体动力学分析软件CFX对其进行求解，得出单缸各部分的温度场，与实验所测得试验点的温度相比证明了分析的正确性，找到缸盖的最大温度点。
有限元热力耦合详细步骤
第22章热－应力耦合分析实例
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。为此，本章通过实例来讲解如何用ANSYS6.1来进行这类问题的分析。
22.1 问题描述
一无限长的截面形状和尺寸如图22.1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22.1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22.1 双层管道的截面图
表22.1 材料性能参数表
材料编号热导率(W/mm. o C)弹性模量(MPa) 泊松比热膨胀系数(－o C-1)
1(钢),内层0.0234 2.05E5 0.3 10.3 2 (铝) ,外层0.152 0.63E5
0.33 20.7
从上面描述的问题可以看出，本实例属于轴对称问题，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。下面我们将首先建立有限元模型，进行稳态热分析，并观察分析其沿径向的温度分布情况。然后将模型中的热单元类型转换成对应的结构分析单元类型，重新定义材料的力学性能参数，并将热分析的结果以体载荷的形式施加到模型中，定义合理的边界条件，进行结构静力求解。最后，观察并分析整个结构沿径向和周向的应力分布情况。
发动机缸盖传热的三维数值建模
这些部分接受的热量大部分都直
接通过壁内导热而传给冷却水。图
中右边歧管为排气管，左边歧管为
进气管，缸盖结构底面承受汽缸内
燃气的对流和辐射换热。外表面为
冷却水通道，从发动机缸内传出的
热量通过对流或沸腾换热带出。由
图可见，由于缸盖结构的复杂性，
缸盖内部的传热是一个复杂的三
图ｌ发动机缸盖传熟分析模型
维导热过程，该传热问题的边界条
件大多属于对流换热边界，即第三类边界条件。这些边界条件可以通过实验测试和经验公式计算得到．
在发动机工作时，缸内燃气不断向周围机件表面（汽缸壁和缸盖底面）传热，其大部分属于对流换热性质。在发动机的传热过程中，缸内的燃气温度ＴＩ随曲轴转角呈周期性改变，而且在整个燃烧室及缸内空间中，燃气的温度不均匀．许多试验表明，在稳定工况下。燃烧室壁面温度随时问变化的幅度很小，可近似地看作恒定的壁温，对流换热由下式确定：
ｑ．＝口，（ｚ．二一Ｌ）（１）等效平均换热系数为：口，＝吉ｆ％出（＿／ｍ２·℃），式中，‘＝ｒ％乙出／ｒ％‘出
称为等效燃气温度，也称平均结果温度或取代温度。等效平均换热系数和等效燃气温度的求取过程为：采用燃烧分析仪测得一个循环内每个曲轴转角的燃气温度，以及采用后面将要介绍的经验或半经验公式计算得到的瞬时换热系数积分首先得到等效平均换热系数。然后荐求取等效燃气温度．以此作为发动机受热部件传热分析的边界条件。
当发动机工作时，燃气对壁面的辐射抉热在数值上要比对流换热小的多。但在某些情况下，例如存在火焰辐射时，辐射换热也将达到燃气对壁面总换热量的１／４－１／３．因此，辐射换热量也不能忽略．通用的瞬时综合换热系数计算公式目前主要有Ａｎｎａｎｄ“’公式和Ｗｏｓｃｌｍｉ公式”１．按ｋｎｎａｎｄ公式对换热系数进行计算：
基于Solid works农机用发动机缸盖的有限元分析
由于 缸 盖 结 构 非 常 复 杂 ，对 其 进 行 有 限元 分 析 时 完 全 按 照 真 实 状 态 来 建 模 很 困 难 ，也 没 有 必 要 。
因此 ，对 缸 盖 进 行 了适 当 的 简 化 ：不 考 虑 圆角 和倒 角 ；对 影 响 不 大 的次 要 结 构 （ 小 油 孑 等 ） 不 予 考 如 Ｌ 都 虑 ；认 为 气 道 孑 为 等 截 面孑 等 。 同 时 ，为 了便 于变 Ｌ Ｌ 结 构 设 计 ，对 缸 盖 采 用 特征 建 模 ，如 图 １所 示 。 其 中包 括 两 个 层 次 的特 征 模 型 ，即 局 部 几 何 特 征 和 整体零件特征 。 局 部 几 何 特 征 是 处 在 特 征 层 次 图 中 最 底 层 的
０ 引 言
发 动 机 直接 影 响农 机 工 作 的可 靠 性 。作 为 发 动
机 中结 构 最 复杂 、工 作 条 件 最 恶 劣 的零 件 之 一 ，缸
特 征 层 次 图 中第 ２层 特 征 。
盖 的设 计 尤 其关 键 ， 其设 计 方 法 已 由传 统 的 经 验 设
计 发 展 为 计 算 机 辅 助设 计 。缸 盖 工 作 中 同 时受 很 强 的机 械 负 荷 和热 负荷 作 用 ，为 避 免 材 料 浪 费 ，保 证
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气缸体常见损伤形式及原因
气缸体常见损伤形式及原因
气缸体是发动机的重要组成部分之一，其主要功能是承担气缸的固定和密封作用。在发动机工作过程中，气缸体承受着高温、高压以及往复运动等复杂的工作环境，因此容易受到各种损伤。常见的气缸体损伤形式及原因主要有以下几种：
1. 热裂纹：气缸体在工作过程中受到高温的侵蚀，会导致其温度分布不均，从而产生热应力。热应力集中会使气缸体发生热裂纹。热裂纹的出现主要是由于发动机工作温度过高、冷却系统故障、缸盖热膨胀系数不匹配等原因造成。
2. 磨损：气缸体与活塞配合面是机械摩擦副，会受到往复活塞运动时的冲击和磨擦力的影响。长期使用后，气缸体表面会发生磨损，严重时会导致气缸体与活塞之间的间隙变大。造成气缸体磨损的原因主要是油润滑不良、颗粒杂质进入发动机、以及活塞、气缸套质量不合格等。
3. 冷液腐蚀：冷却液中的一些物质会与气缸体接触，造成腐蚀。这种腐蚀会逐渐侵蚀气缸体的金属表面，导致气缸体变薄、孔隙、蚀痕等。冷液腐蚀的主要原因是冷却液中含有腐蚀性的物质、冷却液不定期更换或不合格等。
4. 碰撞破损：碰撞事故会严重影响气缸体的完整性。发生碰撞时，气缸体容易出现破裂、变形、裂纹等损伤。碰撞破损主要是由于交通事故、机械作业不当、装卸不当等原因引起。
5. 气缸体腐蚀：气缸体表面有时会受到化学环境的腐蚀，主要是由于发动机在高温高压下工作时，部分燃烧产物会与冷却液中的化学成分发生反应，导致气缸体表面腐蚀。腐蚀还可能由于冷却液中含有腐蚀性物质或冷却系统中的腐蚀产物等原因引起。
6. 气缸体变形：气缸体在工作过程中由于高温、高压等因素的作用，容易发生变形。长期以来，气缸体的变形会导致气缸与活塞密封不良，影响发动机的正常工作。气缸体变形的原因主要是发动机工作温度过高、缸盖等其它部件变形不均匀等。
发动机气缸盖常见故障的检修
发动机气缸盖常见故障的检修
作者：单立君
来源：《农机使用与维修》2017年第01期
摘要：气缸盖的工作条件相当恶劣，易产生裂纹、底平面翘曲变形等故障，本文对这两种故障进行了分析，讲述了检测与维修方法，以提高气缸盖的检修质量。
关键词：气缸盖；故障；检修
中图分类号：S21907文献标识码：Adoi：10.14031/ki.njwx.2017.01.036气缸盖结构复杂，壁厚不均匀，在高温高压下各部位热负荷极不均匀，所有这些都会引起热应力的产生，同时，还承受很大的机械应力的作用。气缸盖的工作条件相当恶劣，常发生气缸盖裂纹和底平面翘曲变形等故障。
1气缸盖底平面不平
1.1原因
（1）缸盖螺栓固定螺母没按规定顺序扭紧，扭矩过大或扭矩不均。（2）缸垫烧损，缸盖受燃气吹拂或烧损严重。（3）缸垫漏水，缸盖锈蚀严重。（4）缸套台肩凸出缸体平面超过规定值，并且各缸凸出量相差悬殊。
1.2缸盖平面的检验
缸盖平面的翘曲、烧蚀和锈蚀情况，只有在经过彻底清理并经砂布打磨后才能进行检验，一般用精密直尺和厚薄规检验。除活塞顶对应部位外，其余任何部位，像东方红-802型拖拉机的气缸盖，0.10 mm厚薄规不得在缸盖和直尺间通过；一柴小型柴油机的缸盖，0.05 mm厚薄规不得在缸盖和直尺间通过。否则，缸盖就应刮磨或刨铣平面。实践证明，缸盖平面平直情况与旧缸垫密封印痕情况结合起来进行检验是最有效的办法。缸垫变黑或烧蚀部位对应的缸盖平面处经常下陷，应着重检验。
1.3缸盖平面的修复
轻微的可用刮刀刮研；较重的可在平面磨床上磨削；严重的可在刨床上刨削或在铣床上铣削。刮研、磨削、刨削后，允许有不大于1 cm2的未加工处，但距孔眼或其它轮廓边缘均应大于20 mm。对局部烧蚀、锈蚀过于严重处用挖补法修复。基于气门杆顶端、摇臂和推杆到凸轮之间的尺寸将缩小，摇臂的几何位置将改变等原因，可从缸盖一平面上切除的金属量是有限的。无论哪种修复方法，在确保达到技术要求的情况下，加工量应尽量少。一般累计加工量（与新的比）不得大于0.5～1.0 mm。磨削和刨削时，必须将缸盖调平。表面加工机床的床面与切削刀具（运动轨迹）是平行的，如果机床地脚出现下陷，装卡缸盖时使用的又是气泡式水
谈车用发动机缸盖螺栓的紧固与检修技术
谈车用发动机缸盖螺栓的紧固与检修技术
术拧鬃技术
缸体是发动机的基础零件,缸盖是发
动机的主要零件之一.发动机所有零部件
都是以它为基础组装起来的,所以其技术
状况直接影响着发动机修理质量和使用寿
命.常见发动机缸盖螺栓的紧固力矩不符
规范或使用中松动,使之汽缸体和汽缸盖
在工作过程中有时会产生裂纹,导致发动
机漏水,漏气,漏油,影响发动机的正常
工作.
一
,缸盖螺栓松脱弓l起排气管喷水
一
辆柴油汽车在使用过程中,发现水
箱经常容易开锅,丑I】冷却水温度过高沸
腾,途中要经常加水;行驶无力,上坡没
劲.冷车启动凼难.停车检查时,将变速
器挂入空挡,拉紧手制动,启动发动机.
并逐渐变换加速踏板位置,观查到排气消
声器烟色是一团团白色水蒸气,用一张纸
刘道春
放在排气消声器口,不一会就被打湿了.
发动机熄火,检查机油油面,发现机油中
含水并且有白色泡沫状;油面增高,机油
粘度降低.
据上述现象判断,该车发动机汽缸进
水,水在燃烧室内加热变为水蒸气后从排气管口排出.同时,冷却水窜入汽缸后,
还会沿着缸壁与活塞之间的间隙流入油底壳,导致机油变稀和油面升高.当解体发
动机,检验缸体和缸盖时发现,原来该车
在进行维护时,没有按照汽车维修规范拧紧缸盖螺栓;使用中缸盖螺栓受热伸长,
没及时重新紧固.缸盖螺栓松脱后引起缸盖变形,直致缸垫烧蚀.
由此,汽缸垫的密封性能变坏,冷却
水进入汽缸,化为水蒸气由排气管口排出;同时,当车辆停驶一段时间,冷却水
2
紧固件技术拧紧技术
进入汽缸,下次启动时就显得比较困难.
将该车发动机的缸垫,缸盖螺栓更换新件,按照汽车使用说明书修复后,消除了
发动机流固耦合系统稳态传热仿真
发动机流固耦合系统稳态传热仿真
张沛毅，毕玉华，申立中，雷基林
(昆明理工大学云南省内燃机重点实验室，云南昆明650500) 摘要：建立缸盖-冷却水-缸套-机体流固耦合传热系统，采用流固耦合的方法实现整机耦合传热计算，把单个零件的传热外边界条件变成内边界，使传热仿真更简单合理。
然后根据缸盖、机体、缸套及冷却水的温度场分布，对发动机进行热应力计算，分析发动机的热负荷。
关键词：发动机；冷却水套；流固耦合；数值仿真
主要软件：A VL FAME，A VL FIRE
1. 前言
在发动机传热仿真研究中，多场耦合计算的应用越来越广泛，通过有限元分析软件，可以对缸内燃气流动与传热、燃烧室零件传热、冷却系统和润滑系统流体的流动与传热的仿真模拟进行联合研究。
本文采用流固耦合法对缸盖-冷却水-缸套-机体流固耦合系统进行传热计算，流固耦合传热研究是将固体部件和流体区域进行整体建模，将流体与固体之间复杂的外边界条件变成相对简单的内边界进行处理。耦合传热计算不但减少了计算的边界条件，而且提高了仿真精度。
本文所研究发动机是一台增压中冷4缸柴油机，其主要技术参数见表1所示：
表1 发动机主要参数
发动机型式立式直列四缸
缸径×冲程/mm×mm95×105
压缩比17
标定功率/ kW(r/min) 92(3600)
最大扭矩/N·m(r/min) 285(2000~2400)
冷却液流量/L·min-1110
2. 耦合系统模型
采用UG软件对所需的缸盖、缸套、机体和冷却水套进行三维实体模型的创建。然后采用SimLab软件对缸盖、缸套以及机体模型进行网格划分，装配模型如图1所示。冷却水套网格采用A VL FAME进行混合网格划分，对关键位置处（如缸盖水套鼻梁区）进行了网格细化，水套计算网格模型如图2所示。网格总数约105万，网格主要是由六面体单元(约占90％)组成。
柴油机气缸盖热-固耦合分析
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 ：２ １ －２２ ；修 回 日期 ：２ １ －３ １ ０ １０ —３ ０ １０ —８ 作 者 简 介 ：赵 心 远 （９ ７ ） 男 ， １７ 一 ， 山西 忻 州 人 ， 教 ， 士 。 助 硕
ｃ ｎ ｉｉ ｓ ａ ｈ ｅ ｐ ｒ ｔｒ ｅ ｄ ｒ ｉ ｌ ｔｄ；ｔ ａ ｔｕ ｔ ｒ ｓｗｅ ｅ ｃ ｎ ｒ ｄ ａｔｒａ ｌ ｚｎ ｈｅ ｓｒ ｓ ｎ ｄｆｅ ｅ ｔｃ ｎ ｔｏ ． Ｉ ｏ ｄｔ ｏｎ ｎｄ ｔ ｅ ｔｍ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｌ ｓ ｗｅ ｅ ｓｍｕ ａｅ ｉ ｈｅｗｅ ｋ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｒ ｏ ｆ ｍｅ ｆ ｎａｙ ｉ ｇ ｔ ｔｅ ｓ ｉ ｉ ｒ ｎ ｏ ｄｉｉｎｓ ｔ ｉ ｅ
３种 不 同 工 况 下 的 应 力 分 析 结 果 。 在 此 基 础 上 可 以 进
一
［ ］ 吴 振 彪 ， 正 家 ．工 业 机 器 人 ［ ． 汉 ： 中 科 技 大 学 ２ 王 Ｍ］ 武 华
出 版 社 ，０ ６ ２０ ． ［］ 朱学 高 ， 福 俊 ． ＧＮ Ａ 基础 与实 例应 用 ［ ． ３ 谢 Ｕ ＸＣ Ｅ Ｍ］ 北
图 ２ 缸 盖 有 限元 模 型
基于三维耦合热保护仿真技术的机舱热害分析及优化
Equipment Manufacturing Technology No.3,2021
基于三维耦合热保护仿真技术的
机舱热害分析及优化
唐海国，黎谦,段大禄，毛磊
(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广两柳州545007 )
摘要：针对某乘用车发动机舱内散热器的风扇罩受高温烤化问题，运用流体软件STARD CCM +和热分析软件
Racitherm 进行了三维耦合热保护仿真分析通过优化前舱布置及隔热罩设计，有效地解决了风扇罩的热害问题试验结 果表明，优化方案的仿真误差在10%以内 关键词：汽车；热保护；三维耦合仿真中图分类号：U463.9
文献标识码:A
0前言
汽车发动机舱内的散热问题一直是汽车行业在
整车开发过程中关注的热点问题，舱内发动机、排气 系统和散热器等高温部件的布置直接影响舱内的零
件的工作环境。高温部件不仅与舱内气流存在对流 换热引起气流升温，而且对周围零件存在热辐射，直 接影响零件T .作温度如果布置不合理会使零件工 作温度超过其材料自身温度限值而产生热疲劳效 应，长期处于这种状态下工作会导致零件过早失效， 危及汽车行车安全。利州数值模拟技术评估发动机 舱内布置的合理性具有周期短、成本低等优势。文献 丨丨-5]运用流体仿真软件重点研究了舱内对流换热及 流场流动情况对零件的影响，优化了舱内零件散热 问题。文献丨6-8|运用流体仿真软件研究了对流场和 温度场进行了分析，优化了热害问题，文献[9-10]运 用流体计算软件和热分析软件Radtherm 进行了三维 耦合仿真，仿真结果和试验结果均有较好的吻合，验 证了耦合仿真方法的可行性£
starccm+冷却水套流动和应力计算教程 ppt课件
模型参数修改
液态水密度：971.8 kg/m3 液态水动力黏度：3.551e-4 Pa.s 液态水导热系数：0.674 W/m.K
可以给定物性 为温度的函数
固体材料：不锈钢
不考虑沸腾—单缸非等温定常流动(案例2)
流体边界条件
进口：速度进口（4m/s，353K） 出口：压力出口
固体边界条件
缸盖底：环境温度700K，换热系数450W/m2.K 进气道：环境温度320K，换热系数300W/m2.K 排气道：环境温度550K，换热系数380W/m2.K 上表面及侧面：环境温度340K，换热系数100W/m2.K 其它：缺省设置（绝热）
划分边界 表面重构
网格参数 生成网格
模型边界 物理模型
边界条件
求解设置
计算监控
监控参数 后处理
生成 Report
执行计算
六缸完整水套等温定常流动(案例1)
几何模型的导入
进口
检查网格质量，如有必 要，可进行包面处理。
出口
六缸完整水套等温定常流动(案例1)
重新生成面网格
面网格尺寸 2~10mm
边界层(层数, 厚度, 增长因子) 2层, 1mm, 1.5
六缸完整水套等温定常流动(案例1)
后处理的相关设定
建立三个截面，分别得到三个截面的速度标量云图 在进口处做一个report（面积平均的压力），监控计算收敛 情况