本文關(guān)鍵詞：缸蓋熱可靠性工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)問題研究

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【摘要】：缸蓋在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行中承受氣體燃燒產(chǎn)生的熱載荷及爆發(fā)壓力載荷,內(nèi)燃機(jī)大幅工況變化易引起缸蓋發(fā)生低周疲勞,失效區(qū)域多集中在缸蓋鼻梁區(qū)、噴油器孔等熱應(yīng)力較高位置處。缸蓋熱可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、材料等因素使失效區(qū)域疲勞壽命滿足使用要求,為了解決缸蓋熱可靠性設(shè)計(jì)中計(jì)算分析流程耗時(shí)、缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和優(yōu)化效率低的問題,本文對缸蓋模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化及參數(shù)化,并搭建了建模-求解-后處理自動分析平臺,應(yīng)用該平臺開展燃燒強(qiáng)度、冷卻流動、材料、水腔結(jié)構(gòu)因素對缸蓋熱狀態(tài)影響研究,在此基礎(chǔ)上為減少仿真計(jì)算量,提高全局尋優(yōu)效率,建立了缸蓋熱狀態(tài)近似模型,結(jié)合遺傳算法實(shí)現(xiàn)全局自動尋優(yōu),并在缸蓋熱可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用。本文工作包括以下內(nèi)容： (1)缸蓋流固耦合數(shù)值仿真參數(shù)化模型研究。首先通過一維燃燒、一維冷卻系統(tǒng)仿真,結(jié)合熱平衡試驗(yàn)獲得燃?xì)狻⒗鋮s液邊界條件,然后采用流固耦合數(shù)值仿真方法進(jìn)行整機(jī)仿真,獲取整機(jī)冷卻水套流場、固體溫度場和應(yīng)力場；基于整機(jī)計(jì)算結(jié)果和缸蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn),兼顧計(jì)算精度和時(shí)間成本,將缸蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化并建立參數(shù)化模型,使用整機(jī)溫度場計(jì)算結(jié)果和實(shí)機(jī)缸蓋測溫?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型,并分析了基于有限容積法的應(yīng)力求解器的精度,比較了參數(shù)化模型和整機(jī)模型的計(jì)算成本。結(jié)果表明,缸蓋參數(shù)化模型在大幅度減少計(jì)算成本的同時(shí)具有較好的精度。 (2)缸蓋熱狀態(tài)變化規(guī)律數(shù)值仿真研究。搭建了建模-求解-后處理自動分析平臺,基于該平臺和缸蓋參數(shù)化模型,采用正交設(shè)計(jì)方法,研究燃燒強(qiáng)度、材料、冷卻液流動、缸蓋底板水腔結(jié)構(gòu)對缸蓋鼻梁區(qū)溫度、應(yīng)力的影響規(guī)律,分類比較了各因素的靈敏度。結(jié)果表明,燃燒強(qiáng)度、材料、冷卻液因素對熱狀態(tài)影響規(guī)律呈近似線性特點(diǎn)；對于結(jié)構(gòu)因素影響,以水腔結(jié)構(gòu)對鼻梁區(qū)溫度、應(yīng)力影響為例,排氣門鼻梁區(qū)溫度主要受該處鼻梁區(qū)水腔高度、寬度影響,而排氣門鼻梁區(qū)應(yīng)力則受各處鼻梁區(qū)水腔結(jié)構(gòu)影響,說明水腔結(jié)構(gòu)因素對鼻梁區(qū)溫度和應(yīng)力的影響分別呈局部和全局性的特點(diǎn)。研究所得的各因素影響規(guī)律和靈敏度可以為后續(xù)的缸蓋熱狀態(tài)近似模型建立提供依據(jù)。 (3)機(jī)械載荷、材料塑性對缸蓋熱機(jī)耦合應(yīng)力場影響研究。建立包含缸蓋、螺栓、假機(jī)體的熱機(jī)耦合模型,分析螺栓預(yù)緊力及燃?xì)獗瑝簩Ω咨w底板熱機(jī)耦合應(yīng)力場的影響；同時(shí)針對灰鑄鐵材料,分析材料塑性設(shè)置對熱機(jī)耦合應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果表明,螺栓預(yù)緊力、燃?xì)獗瑝�、材料塑性的變化會小幅改變缸蓋鼻梁區(qū)的應(yīng)變幅值,在進(jìn)行缸蓋低周疲勞預(yù)測時(shí),為了提高缸蓋可靠性預(yù)測的準(zhǔn)確度,應(yīng)考慮上述熱機(jī)耦合效應(yīng)。 (4)缸蓋熱狀態(tài)近似模型研究。以缸蓋底板厚度,缸內(nèi)燃?xì)鉁囟�、換熱系數(shù)作為邊界條件,缸蓋鼻梁區(qū)水腔結(jié)構(gòu)、冷卻液流量作為設(shè)計(jì)變量,采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)樣本點(diǎn),并基于一階響應(yīng)面、二階響應(yīng)面、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBF)方法建立了缸蓋鼻梁區(qū)溫度、應(yīng)力,以及缸蓋水腔傳熱量和水腔阻力的近似模型,對比了各種方法建立的近似模型精度,并綜合考慮精度和模型復(fù)雜程度,選擇二階響應(yīng)面方法來構(gòu)建各指標(biāo)近似模型,替代參數(shù)化模型仿真。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用低周疲勞理論,構(gòu)建了基于近似模型的各鼻梁區(qū)壽命和損傷的計(jì)算函數(shù),為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)理論。 (5)基于近似模型的缸蓋熱可靠性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用。以內(nèi)燃機(jī)升功率提升缸蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)為應(yīng)用案例,基于缸蓋熱狀態(tài)近似模型,將水腔阻力和缸蓋傳熱量作為約束條件,將缸蓋鼻梁區(qū)的損傷作為目標(biāo)函數(shù),結(jié)合多島遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化,計(jì)算得到設(shè)計(jì)變量優(yōu)化值,比較了應(yīng)用近似模型替代仿真模型的優(yōu)化效率,整機(jī)熱機(jī)耦合應(yīng)力應(yīng)變和疲勞壽命計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該優(yōu)化方案。結(jié)果表明,優(yōu)化方案缸蓋鼻梁區(qū)疲勞壽命顯著提高,優(yōu)化算法結(jié)合近似模型可以快速獲得設(shè)計(jì)方案全局最優(yōu)解,提高了優(yōu)化效率。
【關(guān)鍵詞】：缸蓋 參數(shù)化模型 熱可靠性 正交設(shè)計(jì) 近似模型 優(yōu)化設(shè)計(jì)
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK402
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目錄10-13
• 插圖目錄13-20
• 表格目錄20-23
• 主要符號表23-25
• 1 緒論25-45
• 1.1 本課題研究背景與意義25-26
• 1.2 數(shù)值仿真方法在缸蓋熱可靠性評價(jià)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與趨勢26-34
• 1.2.1 計(jì)算流體動力學(xué)方法在缸蓋熱可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用狀況26-28
• 1.2.2 流固耦合算法在缸蓋熱可靠性設(shè)計(jì)評價(jià)中的應(yīng)用與發(fā)展28-31
• 1.2.3 熱機(jī)耦合和疲勞計(jì)算方法在缸蓋熱可靠性評價(jià)中的應(yīng)用31-34
• 1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)對缸蓋熱可靠性影響研究工作進(jìn)展34-36
• 1.4 簡化模型和參數(shù)化模型在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀36-40
• 1.5 優(yōu)化算法和近似模型在可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀40-43
• 1.6 論文主要工作內(nèi)容及研究目標(biāo)43-45
• 2 缸蓋流固耦合傳熱計(jì)算參數(shù)化模型研究45-73
• 2.1 整機(jī)全模型流固耦合傳熱數(shù)值仿真分析45-63
• 2.1.1 柴油機(jī)一維燃燒模型建立及試驗(yàn)驗(yàn)證45-49
• 2.1.2 柴油機(jī)一維冷卻系統(tǒng)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證49-52
• 2.1.3 整機(jī)流固耦合傳熱模型和網(wǎng)格劃分52-57
• 2.1.4 計(jì)算參數(shù)及邊界條件設(shè)置57-59
• 2.1.5 整機(jī)流場、溫度場分析59-63
• 2.2 缸蓋流動傳熱數(shù)值仿真參數(shù)化模型研究63-72
• 2.2.1 缸蓋參數(shù)化模型的建立63-67
• 2.2.2 缸蓋參數(shù)化模型網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置67-69
• 2.2.3 缸蓋參數(shù)化模型的驗(yàn)證和時(shí)間成本分析69-72
• 2.3 本章小結(jié)72-73
• 3 基于參數(shù)化模型的缸蓋熱狀態(tài)變化規(guī)律數(shù)值仿真研究73-100
• 3.1 缸蓋熱狀態(tài)變化規(guī)律研究方法73-80
• 3.1.1 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法73-78
• 3.1.2 基于參數(shù)化模型的自動分析平臺78-80
• 3.2 燃燒強(qiáng)度對缸蓋熱狀態(tài)影響研究80-85
• 3.2.1 燃燒強(qiáng)度對缸蓋鼻梁區(qū)溫度的影響80-83
• 3.2.2 燃燒強(qiáng)度對缸蓋鼻梁區(qū)應(yīng)力的影響83-85
• 3.3 材料物性對缸蓋熱狀態(tài)的影響85-88
• 3.3.1 材料物性對缸蓋鼻梁區(qū)溫度的影響85-86
• 3.3.2 材料物性對缸蓋鼻梁區(qū)應(yīng)力的影響86-88
• 3.4 冷卻液物性及流動參數(shù)對缸蓋熱狀態(tài)的影響88-93
• 3.4.1 冷卻液物性及流動參數(shù)對缸蓋鼻梁區(qū)溫度的影響88-90
• 3.4.2 冷卻液物性及流動參數(shù)對缸蓋鼻梁區(qū)應(yīng)力的影響90-93
• 3.5 底板水腔結(jié)構(gòu)對缸蓋熱狀態(tài)的影響93-99
• 3.5.1 底板水腔結(jié)構(gòu)對鼻梁區(qū)溫度的影響93-96
• 3.5.2 底板水腔結(jié)構(gòu)對鼻梁區(qū)應(yīng)力的影響96-99
• 3.6 本章小結(jié)99-100
• 4 機(jī)械載荷及材料塑性對缸蓋熱機(jī)耦合應(yīng)力場影響規(guī)律研究100-117
• 4.1 熱機(jī)耦合數(shù)值仿真模型研究100-107
• 4.1.1 熱機(jī)耦合計(jì)算模型建立100-102
• 4.1.2 邊界條件及物性設(shè)置102-103
• 4.1.3 熱機(jī)耦合應(yīng)力場分析103-107
• 4.2 材料塑性對缸蓋應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果的影響107-110
• 4.3 機(jī)械載荷對缸蓋底板熱機(jī)耦合應(yīng)力場的影響110-116
• 4.3.1 爆壓對缸蓋熱機(jī)耦合應(yīng)力場的影響110-113
• 4.3.2 螺栓預(yù)緊力對缸蓋熱機(jī)耦合應(yīng)力場的影響113-116
• 4.4 本章小結(jié)116-117
• 5 缸蓋熱狀態(tài)近似模型研究117-136
• 5.1 近似模型方法117-121
• 5.1.1 常用的近似模型117-120
• 5.1.2 近似模型誤差分析方法120-121
• 5.2 缸蓋熱狀態(tài)近似模型建立121-132
• 5.2.1 缸蓋溫度場近似模型建立與預(yù)測精度分析121-126
• 5.2.2 缸蓋應(yīng)力場近似模型建立與預(yù)測精度分析126-129
• 5.2.3 缸蓋傳熱量和水腔壓差近似模型建立129-132
• 5.3 基于近似模型的缸蓋熱疲勞可靠性設(shè)計(jì)理論132-135
• 5.3.1 熱疲勞基本理論132-134
• 5.3.2 基于近似模型的熱疲勞損傷計(jì)算方法134-135
• 5.4 本章小結(jié)135-136
• 6. 基于近似模型的缸蓋熱可靠性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用136-153
• 6.1. 缸蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)問題描述136-138
• 6.1.1. 缸蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)變量136-137
• 6.1.2. 缸蓋優(yōu)化約束條件137
• 6.1.3. 缸蓋優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)137-138
• 6.2. 缸蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)求解138-141
• 6.2.1. 多島遺傳算法優(yōu)化策略138-139
• 6.2.2. 缸蓋優(yōu)化與求解效率分析139-141
• 6.3. 缸蓋優(yōu)化方案驗(yàn)證141-152
• 6.3.1. 缸蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)方案141-142
• 6.3.2. 功率提升后原方案和優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果分析對比142-152
• 6.4. 本章小結(jié)152-153
• 7 全文工作總結(jié)及展望153-156
• 7.1 工作總結(jié)153-154
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)154-155
• 7.3 后續(xù)研究展望155-156
• 參考文獻(xiàn)156-163
• 致謝163-165
• 作者簡歷165

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本文編號：1032291