下载文档原格式
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。
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）。
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。
