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
兵
工
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
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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。