本文關(guān)鍵詞：Z6110型柴油機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

大連理工大學(xué)

碩士學(xué)位論文

Z6110型柴油機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

姓名：代秀紅

申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士

專業(yè)：內(nèi)燃機(jī)

指導(dǎo)教師：梁沙麗;郭成壁

20030301

Ｚ６１１０型柴油機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

摘要

為改進(jìn)柴油機(jī)缸蓋疲勞斷裂的問題，本文用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ對(duì)缸蓋進(jìn)行實(shí)體建模，用功能強(qiáng)大的商用有限元分析軟件ＡＮＳＹＳ對(duì)其進(jìn)行三維有限元分析。對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的柴油機(jī)缸蓋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。分別計(jì)算了溫度場(chǎng)、預(yù)應(yīng)力場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)、熱一機(jī)械耦合應(yīng)力場(chǎng)，通過比較分析得出最佳方案。為柴油機(jī)的生產(chǎn)及設(shè)計(jì)改進(jìn)工作提供的參考依據(jù)。

同時(shí)，將缸蓋的材料一低合金銅鋁鑄鐵加工成試件，進(jìn)行了高溫低周疲勞壽命試驗(yàn)ｔ并應(yīng)用當(dāng)量理論對(duì)柴油機(jī)缸蓋的壽命評(píng)價(jià)做了嘗試性的工作。關(guān)鍵詞：氣缸蓋；三維有限元：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；預(yù)應(yīng)力；高溫低周疲勞：當(dāng)量理論

Ｚ６１１０型柴油機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｒｕｐｔｕｒｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ．３ＤＦＥ—ＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｆｏｒＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉＲｅｉＳｐｒｅｓｅｎｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒＴｈｅｍｏｄｅｌｉｓｍａｄｅｂｙＰｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｔｈｅ３ＤＦＥ．ＡｎａｌｙｓｉｓｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｖＡＮＳＹＳ．ＴｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｓｉｇｎｓｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄｉｓｐｒｏｃｅｓｓｅｄＴｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｒｍａｌ＆ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ａｇｒｅｅｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎｉｓｄｒａｗｎｏｕｔｂｙｔｈｅ

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Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄａｒｅｍａｄｅ．Ｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｒｅｍａｄｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ．Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒａｉｎｔｈｅｏｒｙｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｌｉｆｅｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ；３ＤＦＥＡ；ｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓ；ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｏｗ

ｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒａｉｎｔｈｅｏｒｙ

緒論

第一章緒論

１．１結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的學(xué)術(shù)以及工程背景

結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期：既考慮到材料的力學(xué)指標(biāo)（強(qiáng)度）的隨機(jī)變異，又考慮到外界載荷的隨機(jī)變異；既考慮到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力（包括內(nèi)力重分配），又考慮到截面的應(yīng)力分布（包括彈塑性應(yīng)力分布及蠕變影響）；既考慮到動(dòng)荷的疲勞載荷、沖擊載荷；又考慮到結(jié)構(gòu)的重要性、破壞狀態(tài)（延性一塑性，脆性）、制造工藝、工作條件，同時(shí)還考慮到其他一些難于統(tǒng)計(jì)的，但也影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定和剛度的因素。然后用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)工具，分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變異，從而確定出安全度和安全系數(shù)。由此可見，強(qiáng)度（或承載力）是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的一個(gè)重要和主要方面。

強(qiáng)度這個(gè)概念，在應(yīng)力概念確定之前，沒有材料強(qiáng)度的概念，只有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的提法，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是泛指結(jié)構(gòu)的承載能力（破壞的危險(xiǎn)狀態(tài)），其中包括失穩(wěn)的臨界載荷、極限載荷（屈服載荷或破壞載荷）。

在應(yīng)力概念確定之后，強(qiáng)度系對(duì)材料而言的。一種材料的強(qiáng)度就是它抵抗由外力產(chǎn)生的某種應(yīng)力（或應(yīng)變）的能力，即材料的一種破壞或破裂的極限狀態(tài)。材料強(qiáng)度也可成為力學(xué)強(qiáng)度，因?yàn)樗且涣W(xué)指標(biāo)為根據(jù)的。從此，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就指結(jié)構(gòu)在外力作用下，結(jié)構(gòu)物體內(nèi)部所產(chǎn)生的某幾種應(yīng)力（或應(yīng)變）與組成結(jié)構(gòu)的材料所能抵抗幾種應(yīng)力（或應(yīng)變）的能力之間的關(guān)系。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，廣義地講包括結(jié)構(gòu)不能繼續(xù)工作而必須加以更換或加固處理的各種情況，這些都屬于強(qiáng)度計(jì)算范疇。由于強(qiáng)度破壞的物理現(xiàn)象的復(fù)雜性，各種破壞情況的計(jì)算方法便各有特點(diǎn)。因此，強(qiáng)度的概念在計(jì)算過程中被歸結(jié)為確定應(yīng)力的計(jì)算本身，并不保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和具有足夠的剛度。于是材料力學(xué)和工程結(jié)構(gòu)中就把強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算和剛度計(jì)算區(qū)分開來。

強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則，都是為了保證結(jié)構(gòu)在正常使用過程中，避免產(chǎn)生強(qiáng)度破壞、斷裂（或失穩(wěn)），這其中就包含著安全儲(chǔ)備或者說強(qiáng)度儲(chǔ)備在內(nèi)。

強(qiáng)度理論是研究結(jié)構(gòu)或材料在受力過程中產(chǎn)生的物理現(xiàn)象和引起結(jié)構(gòu)或材料破壞、斷裂的原因～某種或某幾種應(yīng)力（或應(yīng)變）超過組成結(jié)構(gòu)物的材料所能抵抗能力，從而為建立相應(yīng)地應(yīng)力（或應(yīng)變）的不等式關(guān)系一強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)度準(zhǔn)則，提供理論計(jì)算方法和依據(jù)。

著名物理學(xué)家、工程師里奧納多?達(dá)－芬奇（１４５２～１５１９年）曾進(jìn)行了材料及柱與其他結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度試驗(yàn)，提出了有關(guān)材料強(qiáng)度的一些見解。十六世紀(jì)數(shù)學(xué)家兼力學(xué)家伽利略（１５６４～１６４２年）曾進(jìn)行過梁的彎曲試驗(yàn)，并提出了有關(guān)梁的強(qiáng)度與見解。盡管它的論證在數(shù)量上是不精確的，但原則上是正確的。他較全面地研究、試驗(yàn)并分析了梁的破壞強(qiáng)度，因而很多人認(rèn)為他是“強(qiáng)度科學(xué)”的創(chuàng)立者，是第一個(gè)試圖去得力和所作用物體的強(qiáng)度之間的關(guān)系的人。勞勃脫、虎克在１６６０年建立了彈性物理定律。馬立敖特于１６８０年才將這個(gè)定律用在粱的彎曲強(qiáng)度上。直到１７７３年，材料強(qiáng)度理論，梁的彎曲理論，擋土墻上的土壓力理論及拱的計(jì)算理論，在庫侖的主要著作中才得到全面的應(yīng)用。雖然其中

緒論

所建立的物體的力和物體強(qiáng)度問的關(guān)系，非常接近我們現(xiàn)在所用的形式，但當(dāng)時(shí)沒有建立“應(yīng)力”這個(gè)極為重要的概念，這個(gè)概念直到十九世紀(jì)１８２２年柯西在創(chuàng)立了彈性理論的過程中，分析“物體內(nèi)一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)”時(shí)，才較為全面的得到闡述。十九世紀(jì)中葉，彈性理論才開始用來解決工程上的問題。二十世紀(jì)各種新型結(jié)構(gòu)的發(fā)展，促使了彈性理論的發(fā)展。至此，才把物體所受的力與物體內(nèi)的彈性力、應(yīng)變與強(qiáng)度關(guān)系互相聯(lián)系起來¨］。由于數(shù)學(xué)工具和實(shí)驗(yàn)手段在不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)內(nèi)力應(yīng)力分析及材料強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力分析都得到了進(jìn)一步研究。

１．２高溫強(qiáng)度研究的學(xué)術(shù)以及工程背景

在現(xiàn)代工業(yè)中，特別是在航空航天和化工等工業(yè)中，許多工程結(jié)構(gòu)，如鍋爐、蒸汽機(jī)、原子反應(yīng)堆的熱交換等，受役于高溫高壓的工作環(huán)境中，承受著高溫交變載荷，整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命取決于材料的高溫力學(xué)性能。

據(jù)統(tǒng)計(jì)有８０％的工程結(jié)構(gòu)破壞與疲勞有關(guān)而發(fā)生失效的零部件大多處于高溫狀態(tài)，一般說來，材料在高溫下由于受熱導(dǎo)致強(qiáng)度降低，出現(xiàn)與室溫下不同的現(xiàn)象。受載荷、溫度和時(shí)間等因素的影響，同時(shí)伴有蠕變現(xiàn)象的發(fā)生所以比較復(fù)雜。

我國(guó)建國(guó)以來，許多工業(yè)設(shè)備老化現(xiàn)象已經(jīng)十分嚴(yán)重，尤其是一些高溫高壓設(shè)備正面臨著設(shè)計(jì)壽命期限的到來，這設(shè)備的安全性和可靠性是急需解決的問題。而更新設(shè)備需要大量的財(cái)力物力，因此，迫切要求在保證設(shè)備的安全性和可靠性的前提下，盡量延長(zhǎng)設(shè)備的使用期限，剩余壽命的評(píng)價(jià)就是一項(xiàng)主要的內(nèi)容。據(jù)我國(guó)勞動(dòng)部的統(tǒng)計(jì)，建國(guó)以來，經(jīng)過５０多年的發(fā)展，很多工業(yè)設(shè)備已經(jīng)老化，趨近設(shè)計(jì)年限，尤其是高溫高壓設(shè)備，迫切需要在保證設(shè)備安全性和可靠性前提下，延長(zhǎng)設(shè)備的使用期限。比如中國(guó)石化總公司所屬的煉油廠中的焦碳塔，大多是６０年代引進(jìn)或制造的，大部分正接近設(shè)計(jì)壽命期限，對(duì)其剩余壽命的評(píng)價(jià)顯得尤為重要：作為動(dòng)力機(jī)械的柴油機(jī)近年來朝著大型化、高功率化、輕量化的方向發(fā)展，燃燒室零部件（氣缸蓋、活塞、氣缸套）所受的工作條件（機(jī)械載荷和熱載荷）越來越苛刻，嚴(yán)重威脅著柴油機(jī)的可靠性和安全性，如何評(píng)價(jià)柴油機(jī)燃燒室零部件的高溫強(qiáng)度具有重要的意義。另外各種高功率蒸汽透平、火力發(fā)電設(shè)備、原予能發(fā)電設(shè)備、超高速航空機(jī)械等工業(yè)設(shè)備都處于高溫高壓下工作。并且，我國(guó)的鍋爐和壓力容器爆炸事故比西方國(guó)家高一百倍，我國(guó)乙烯廠的裂解爐爐管因長(zhǎng)期承受８００多度的高溫而發(fā)生的變形、斷裂，每次報(bào)廢所造成的經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)幾千萬元。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)于能源的要求越來越迫切，發(fā)展原子能核電站勢(shì)在必行，而核電站所用的機(jī)器和構(gòu)件長(zhǎng)期處于高溫下工作，由于原子能的放射性，對(duì)于其安全性和可靠性的要求尤其的高。綜上所述，高溫強(qiáng)度理論的研究和應(yīng)用對(duì)于工程實(shí)踐是具有十分重要的意義的，也十分的緊追。

國(guó)外高溫疲勞研究首推美國(guó)，由美國(guó)西北工業(yè)大學(xué)的ＢｏＬｅｙ和ＷｅｉＦＩｅＦ教授，在熱疲勞研究方面以ＮＡＳＡ的ＭａｎｓｏｎｈｅＣｏｆｆｉｎ等人為鼻祖，，在日本早期研２

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