船用柴油機氣缸蓋多場耦合仿真及參數(shù)敏感性分析
發(fā)布時間：2021-02-17 22:18
氣缸蓋作為柴油機的關重件,結構復雜,工作環(huán)境惡劣,其可靠性與整機的可靠性密切相關。本文以某中高速船用柴油機關鍵零部件開發(fā)設計為背景,為準確預測柴油機氣缸蓋設計的可靠性,開展了氣缸蓋的多場耦合仿真。針對船用柴油機強化指標提高導致氣缸蓋面臨熱負荷增大的問題,開展了氣缸蓋結構改進、不同因素對熱負荷的影響規(guī)律及敏感性研究,為以后更有方向性地控制高強化氣缸蓋的熱負荷提供參考,具有重要意義。主要研究內(nèi)容如下:（1）基于氣缸蓋所涉及的多物理場理論,建立了柴油機熱力學模型、冷卻水CFD模型、溫度場及結構場有限元模型。主要研究了氣缸蓋換熱邊界的確定、流場與溫度場耦合分析、溫度場與結構場耦合分析,采用了火力面分區(qū)與徑向擬合曲線方程相結合加載熱側邊界的方法,編寫的宏文件實現(xiàn)了冷邊界的自動映射。通過對建模及求解方法的研究,給出了氣缸蓋多物理場耦合仿真的技術途徑。（2）為了實現(xiàn)增大缸蓋火力面溫度安全裕度的目標,從結構方面進行研究分析,采取氣缸蓋底板減薄的措施,結果表明氣缸蓋改進方案的熱負荷相對原方案得到改善,氣缸蓋底板減薄2mm可使缸蓋火力面溫度值降低5-6℃。改進方案的疲勞安全系數(shù)最小為1.58,高于缸蓋疲勞...
【文章來源】：中國艦船研究院北京市
【文章頁數(shù)】：79 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
MTU12V4000柴油機
的可靠性是其最重要的指標之一，因此保證船用柴油機工作的可靠性是其所有技術創(chuàng)新的前提要求。目前世界上主要的先進柴油機研究機構，通常采取優(yōu)化缸內(nèi)燃燒、智能化控制、零部件模塊化等技術手段，在提高船用柴油機強化指標的同時，又較好的提高了船用柴油機的可靠性與使用壽命，如德國的羅羅動力系統(tǒng)公司開發(fā)的船用MTU8000系列柴油機的大修期是原來956系列柴油機的兩倍左右。目前來說，MTU4000系列以及MTU8000系列柴油機，代表著中高速船用柴油機未來的發(fā)展方向[3]；兩代表機型如圖1-1與圖1-2所示。圖1-1MTU12V4000柴油機圖1-2MTU20V8000柴油機（2）氣缸蓋作為柴油機關鍵零部件之一，其工作狀態(tài)直接影響著整機的使用壽命。氣缸蓋作為柴油機燃燒室的組成部分，與活塞、氣缸套共同組成密閉的空間，為需要作功的高溫高壓燃氣提供工作容積；這意味著其直接承受著缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫高壓載荷，工作條件十分惡劣[4]。對于四沖程、大功率中高速船用柴油機的氣缸蓋，由于強化指標高、熱負荷大的特點，其結構十分緊湊與復雜。同時，由于柴油機缸內(nèi)工作過程及氣缸蓋冷卻與傳熱的復雜性，柴油機氣缸蓋的結構形式頗為繁多。一般可根據(jù)柴油機缸徑大小和氣缸之間的共用情況對氣缸蓋進行分類，主要有整體式、分體式、單體式，如圖1-3。其冷卻水套的結構也存在不同形式，包括一體式水腔、雙層水腔、多層水腔等，冷卻水的流動方式分為自下而上與自上而下式兩種[5]，如圖1-4。
船用柴油機氣缸蓋多場耦合仿真及參數(shù)敏感性分析2圖1-3缸蓋形式與缸徑的對應關系圖1-4左側為自下而上式、右側為自上而下隨著柴油機強化指標的繼續(xù)提高，柴油機受熱零部件的熱負荷也將不斷增大；這就對柴油機氣缸蓋的承載能力提出了更高的要求，其可靠性也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。在柴油機工作過程中，氣缸蓋始終承受著多種交變的載荷力以及很高的熱載，從而也使得氣缸蓋故障較為多發(fā)，比如：缸蓋底面燒蝕、鼻梁區(qū)開裂、氣道部位出現(xiàn)裂紋、閥座燒蝕、漏水或脫落等缸蓋失效形式，如圖1-5與圖1-6；這些都嚴重影響著柴油機性能與可靠性。因此，從設計階段預防氣缸蓋故障的產(chǎn)生是保證柴油機長壽命高可靠性的重要前提，在設計中利用數(shù)值仿真技術評估柴油機缸蓋設計的合理性以及研究相關參數(shù)的影響規(guī)律對柴油機新機型的開發(fā)設計具有重要工程意義。圖1-5鼻梁裂紋圖1-6氣道開裂因此，本文以某中高速船用柴油機關鍵零部件開發(fā)設計為背景，為準確預測船用柴油機氣缸蓋設計的可靠性，利用數(shù)值仿真技術對該船用柴油機氣缸蓋的溫度嘗應力場以及疲勞強度開展多場耦合仿真分析。針對船用柴油機強化指標提高導致氣缸蓋面臨熱
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于熱固耦合的柴油機氣缸蓋有限元分析[J]. 龔金科,何偉,鐘超,田應華. 湖南大學學報(自然科學版). 2017(02)
[2]某柴油機缸蓋強度計算[J]. 陳后濤,吳東興,陳小方,李康寧,劉印. 計算機輔助工程. 2013(S2)
[3]柴油機氣缸蓋鼻梁區(qū)熱機耦合疲勞分析[J]. 蓋洪武,程穎,姚秀功. 計算機輔助工程. 2013(04)
[4]考慮兩相流沸騰傳熱的氣缸蓋溫度場仿真研究[J]. 何聯(lián)格,左正興,向建華. 內(nèi)燃機工程. 2013(03)
[5]氣缸蓋冷卻水腔內(nèi)兩相流動沸騰傳熱仿真研究[J]. 何聯(lián)格,左正興,向建華. 西安交通大學學報. 2013(01)
[6]基于流固耦合模型的柴油機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計[J]. 谷芳,崔國起,吳華杰. 汽車工程. 2012(08)
[7]柴油機氣缸蓋傳熱規(guī)律研究[J]. 郭良平,張衛(wèi)正,王長園,趙維茂. 北京理工大學學報. 2011(03)
[8]某柴油機氣缸蓋疲勞的可靠性預測[J]. 胡定云,陳澤忠,溫世杰,周海濤. 車用發(fā)動機. 2008(S1)
[9]重型車用柴油機氣缸蓋內(nèi)流動與傳熱研究[J]. 王兆文,黃榮華,成曉北,沈捷,鐘玉偉. 汽車工程. 2008(04)
博士論文
[1]缸蓋冷卻水套內(nèi)沸騰傳熱特性的研究[D]. 傅松.山東大學 2010
碩士論文
[1]柴油機氣缸蓋內(nèi)流動換熱研究及水腔結構改進[D]. 胥振龍.江蘇大學 2018
[2]面向柴油機強化的缸蓋冷卻結構優(yōu)化[D]. 王俊杰.浙江大學 2018
[3]變海拔條件下某柴油機缸蓋熱狀態(tài)的變化規(guī)律研究[D]. 甘慶良.浙江大學 2018
[4]某柴油機冷卻系統(tǒng)及缸蓋換熱的CFD分析[D]. 周雪凱.大連理工大學 2017
[5]柴油機缸蓋熱負荷及冷卻水腔強化傳熱研究[D]. 吳倩文.山東大學 2016
[6]大功率游艇用柴油機氣缸蓋的設計與開發(fā)[D]. 康明明.天津大學 2016
[7]柴油機缸蓋熱固耦合分析及其熱負荷性能影響特性研究[D]. 何偉.湖南大學 2016
[8]基于熱—流—固耦合的氣缸蓋疲勞壽命預測方法研究[D]. 黨娟.中北大學 2015
[9]基于有限元法的缸蓋疲勞實驗相關性研究[D]. 李柯亮.山東大學 2015
[10]大功率特種柴油機改進中關鍵部件的熱負荷分析研究[D]. 劉鵬飛.中國艦船研究院 2015
本文編號：3038628
【文章來源】：中國艦船研究院北京市
【文章頁數(shù)】：79 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
MTU12V4000柴油機
的可靠性是其最重要的指標之一，因此保證船用柴油機工作的可靠性是其所有技術創(chuàng)新的前提要求。目前世界上主要的先進柴油機研究機構，通常采取優(yōu)化缸內(nèi)燃燒、智能化控制、零部件模塊化等技術手段，在提高船用柴油機強化指標的同時，又較好的提高了船用柴油機的可靠性與使用壽命，如德國的羅羅動力系統(tǒng)公司開發(fā)的船用MTU8000系列柴油機的大修期是原來956系列柴油機的兩倍左右。目前來說，MTU4000系列以及MTU8000系列柴油機，代表著中高速船用柴油機未來的發(fā)展方向[3]；兩代表機型如圖1-1與圖1-2所示。圖1-1MTU12V4000柴油機圖1-2MTU20V8000柴油機（2）氣缸蓋作為柴油機關鍵零部件之一，其工作狀態(tài)直接影響著整機的使用壽命。氣缸蓋作為柴油機燃燒室的組成部分，與活塞、氣缸套共同組成密閉的空間，為需要作功的高溫高壓燃氣提供工作容積；這意味著其直接承受著缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫高壓載荷，工作條件十分惡劣[4]。對于四沖程、大功率中高速船用柴油機的氣缸蓋，由于強化指標高、熱負荷大的特點，其結構十分緊湊與復雜。同時，由于柴油機缸內(nèi)工作過程及氣缸蓋冷卻與傳熱的復雜性，柴油機氣缸蓋的結構形式頗為繁多。一般可根據(jù)柴油機缸徑大小和氣缸之間的共用情況對氣缸蓋進行分類，主要有整體式、分體式、單體式，如圖1-3。其冷卻水套的結構也存在不同形式，包括一體式水腔、雙層水腔、多層水腔等，冷卻水的流動方式分為自下而上與自上而下式兩種[5]，如圖1-4。
船用柴油機氣缸蓋多場耦合仿真及參數(shù)敏感性分析2圖1-3缸蓋形式與缸徑的對應關系圖1-4左側為自下而上式、右側為自上而下隨著柴油機強化指標的繼續(xù)提高，柴油機受熱零部件的熱負荷也將不斷增大；這就對柴油機氣缸蓋的承載能力提出了更高的要求，其可靠性也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。在柴油機工作過程中，氣缸蓋始終承受著多種交變的載荷力以及很高的熱載，從而也使得氣缸蓋故障較為多發(fā)，比如：缸蓋底面燒蝕、鼻梁區(qū)開裂、氣道部位出現(xiàn)裂紋、閥座燒蝕、漏水或脫落等缸蓋失效形式，如圖1-5與圖1-6；這些都嚴重影響著柴油機性能與可靠性。因此，從設計階段預防氣缸蓋故障的產(chǎn)生是保證柴油機長壽命高可靠性的重要前提，在設計中利用數(shù)值仿真技術評估柴油機缸蓋設計的合理性以及研究相關參數(shù)的影響規(guī)律對柴油機新機型的開發(fā)設計具有重要工程意義。圖1-5鼻梁裂紋圖1-6氣道開裂因此，本文以某中高速船用柴油機關鍵零部件開發(fā)設計為背景，為準確預測船用柴油機氣缸蓋設計的可靠性，利用數(shù)值仿真技術對該船用柴油機氣缸蓋的溫度嘗應力場以及疲勞強度開展多場耦合仿真分析。針對船用柴油機強化指標提高導致氣缸蓋面臨熱
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于熱固耦合的柴油機氣缸蓋有限元分析[J]. 龔金科,何偉,鐘超,田應華. 湖南大學學報(自然科學版). 2017(02)
[2]某柴油機缸蓋強度計算[J]. 陳后濤,吳東興,陳小方,李康寧,劉印. 計算機輔助工程. 2013(S2)
[3]柴油機氣缸蓋鼻梁區(qū)熱機耦合疲勞分析[J]. 蓋洪武,程穎,姚秀功. 計算機輔助工程. 2013(04)
[4]考慮兩相流沸騰傳熱的氣缸蓋溫度場仿真研究[J]. 何聯(lián)格,左正興,向建華. 內(nèi)燃機工程. 2013(03)
[5]氣缸蓋冷卻水腔內(nèi)兩相流動沸騰傳熱仿真研究[J]. 何聯(lián)格,左正興,向建華. 西安交通大學學報. 2013(01)
[6]基于流固耦合模型的柴油機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計[J]. 谷芳,崔國起,吳華杰. 汽車工程. 2012(08)
[7]柴油機氣缸蓋傳熱規(guī)律研究[J]. 郭良平,張衛(wèi)正,王長園,趙維茂. 北京理工大學學報. 2011(03)
[8]某柴油機氣缸蓋疲勞的可靠性預測[J]. 胡定云,陳澤忠,溫世杰,周海濤. 車用發(fā)動機. 2008(S1)
[9]重型車用柴油機氣缸蓋內(nèi)流動與傳熱研究[J]. 王兆文,黃榮華,成曉北,沈捷,鐘玉偉. 汽車工程. 2008(04)
博士論文
[1]缸蓋冷卻水套內(nèi)沸騰傳熱特性的研究[D]. 傅松.山東大學 2010
碩士論文
[1]柴油機氣缸蓋內(nèi)流動換熱研究及水腔結構改進[D]. 胥振龍.江蘇大學 2018
[2]面向柴油機強化的缸蓋冷卻結構優(yōu)化[D]. 王俊杰.浙江大學 2018
[3]變海拔條件下某柴油機缸蓋熱狀態(tài)的變化規(guī)律研究[D]. 甘慶良.浙江大學 2018
[4]某柴油機冷卻系統(tǒng)及缸蓋換熱的CFD分析[D]. 周雪凱.大連理工大學 2017
[5]柴油機缸蓋熱負荷及冷卻水腔強化傳熱研究[D]. 吳倩文.山東大學 2016
[6]大功率游艇用柴油機氣缸蓋的設計與開發(fā)[D]. 康明明.天津大學 2016
[7]柴油機缸蓋熱固耦合分析及其熱負荷性能影響特性研究[D]. 何偉.湖南大學 2016
[8]基于熱—流—固耦合的氣缸蓋疲勞壽命預測方法研究[D]. 黨娟.中北大學 2015
[9]基于有限元法的缸蓋疲勞實驗相關性研究[D]. 李柯亮.山東大學 2015
[10]大功率特種柴油機改進中關鍵部件的熱負荷分析研究[D]. 劉鵬飛.中國艦船研究院 2015
本文編號：3038628
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