本文關(guān)鍵詞：基于熱—流—固耦合的氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測方法研究

  更多相關(guān)文章： 氣缸蓋 熱-流-固耦合 疲勞壽命 表面粗糙度

【摘要】：氣缸蓋是發(fā)動機的關(guān)鍵重要零件之一，結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜，其與活塞共同形成燃燒室，在工作中承受高溫、高壓的燃氣壓力和螺栓預(yù)緊力；氣缸蓋的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生周期性的變化，容易產(chǎn)生疲勞破壞。這就需要對氣缸蓋疲勞壽命進行分析研究，氣缸蓋一個完整的疲勞分析應(yīng)該包括高周和低周疲勞分析，氣缸蓋的高周疲勞主要是循環(huán)爆發(fā)壓力產(chǎn)生的應(yīng)力幅和熱載荷產(chǎn)生的平均應(yīng)力造成的；低周疲勞主要是由于發(fā)動機重復(fù)啟動和關(guān)閉產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力導(dǎo)致的；熱應(yīng)力是由于溫度載荷產(chǎn)生的，，目前氣缸蓋考慮溫度影響時，多采用熱-流-固耦合方式進行應(yīng)力分布分析。對上述氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測有兩種方法：一種是試驗方法，這種方法雖然可靠，但耗資大，工作繁瑣，進度慢；一種方法是疲勞壽命分析法，這種方法是依據(jù)材料的屬性，結(jié)合載荷歷程選取疲勞壽命分析模型來計算分析出構(gòu)件的疲勞壽命，這種方法分析模型較多，若對氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測選擇不合適的分析模型，則會導(dǎo)致其壽命結(jié)果誤差大。 針對上述問題，本文以某柴油機氣缸蓋為研究對象，采用整場求解法對氣缸蓋與冷卻液進行直接熱-流耦合計算，得到氣缸蓋的溫度場。將氣缸蓋各節(jié)點溫度與預(yù)緊力、爆發(fā)壓力耦合在一起對氣缸蓋進行熱-固耦合計算。研究了氣缸蓋在機械載荷與熱-固耦合下的應(yīng)力分布，得到氣缸蓋應(yīng)力集中區(qū)域。采用完全瞬態(tài)法分別對氣缸蓋在機械載荷下和熱-固耦合下進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，將得到的應(yīng)力、應(yīng)變時間歷程作為氣缸蓋壽命預(yù)測載荷譜的依據(jù)。對于氣缸蓋高周疲勞問題，研究了多種疲勞壽命分析模型對其預(yù)測壽命的影響，得到一種適用于氣缸蓋壽命預(yù)測的模型；對于氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞問題，通過標(biāo)準(zhǔn)試件對此問題進行了研究，得到研究氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞壽命預(yù)測的一種方法。 本文主要研究內(nèi)容： （1）氣缸蓋熱-流-固耦合分析 以ANSYS流場分析軟件FLUENT為工具，通過經(jīng)驗公式計算氣缸蓋熱載荷邊界條件，得出不同區(qū)域施加的換熱系數(shù)、溫度及冷卻液進出口邊界條件。運用整場求解方法，選擇控制方程,對氣缸蓋和冷卻液進行直接熱-流耦合仿真分析。研究了冷卻液流場、溫度場和氣缸蓋的溫度場的流速與溫度分布情況,最終得到氣缸蓋各節(jié)點溫度。將氣缸蓋各節(jié)點溫度映射到ANSYS結(jié)構(gòu)分析的氣缸蓋組合模型中,在ANSYS中對氣缸蓋組合模型進行預(yù)緊工況、爆發(fā)工況和熱-固耦合工況的靜態(tài)計算。研究了各工況氣缸蓋的應(yīng)力分布,找出了氣缸蓋的應(yīng)力集中區(qū)域與影響應(yīng)力集中的載荷。 (2)氣缸蓋高周疲勞壽命預(yù)測方法研究 對氣缸蓋分別進行機械載荷和熱-固耦合的瞬態(tài)動力學(xué)分析,得出應(yīng)力-時間、應(yīng)變-時間歷程,為氣缸蓋的疲勞壽命預(yù)測提供了應(yīng)力譜數(shù)據(jù)。運用疲勞分析軟件DesignLife對氣缸蓋進行高周疲勞壽命預(yù)測。分別研究了氣缸蓋在機械載荷和熱-固耦合作用下選用三種不同損傷參量臨界面模型對氣缸蓋疲勞壽命的影響,得到一種適用于氣缸蓋的疲勞壽命預(yù)測的臨界面損傷參量模型,為氣缸蓋疲勞壽命設(shè)計提供一種可靠地壽命預(yù)測模型與理論依據(jù)。 研究了機械、熱載荷對氣缸蓋火力面高周疲勞壽命的影響,發(fā)現(xiàn)施加熱載荷后疲勞壽命最低位置位于火力面鼻梁處,在進行壽命預(yù)測時必須考慮熱載荷的影響. (3)影響氣缸蓋疲勞壽命的因素研究 重點研究了表面粗糙度對氣缸蓋壽命的影響。通過設(shè)置不同的表面粗糙度系數(shù)對氣缸蓋疲勞壽命進行計算,得到不同表面粗糙度系數(shù)對氣缸蓋疲勞壽命的影響曲線。 (4)探索了通過使用標(biāo)準(zhǔn)試件對氣缸蓋進行低周疲勞壽命預(yù)測的方法 通過標(biāo)準(zhǔn)試件對氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞問題進行了研究。壽命預(yù)測分析方法選擇ε-N曲線法對標(biāo)準(zhǔn)試件進行壽命預(yù)測分析,得到研究氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞壽命預(yù)測的一種方法。
【關(guān)鍵詞】：氣缸蓋 熱-流-固耦合 疲勞壽命 表面粗糙度
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK423
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-21
• 1.1 論文的研究背景及意義12
• 1.2 論文目的12-13
• 1.3 國內(nèi)外相關(guān)內(nèi)容研究現(xiàn)狀13-19
• 1.3.1 疲勞研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3.2 氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測研究現(xiàn)狀15-19
• 1.4 論文主要研究內(nèi)容19-21
• 2 氣缸蓋與冷卻液耦合傳熱分析21-39
• 2.1 氣缸蓋與冷卻液（水腔）實體三維模型建立21-22
• 2.2 氣缸蓋與冷卻液模型網(wǎng)格劃分22-24
• 2.3 熱-流計算方程24-28
• 2.4 氣缸蓋和冷卻液耦合傳熱邊界條件確定28-33
• 2.4.1 熱分析理論28-31
• 2.4.2 固體壁面邊界條件確定31-32
• 2.4.3 冷卻液進、出口邊界條件的確定32-33
• 2.5 FLUENT 求解設(shè)置33
• 2.6 熱-流耦合計算結(jié)果分析33-38
• 2.6.1 溫度場計算結(jié)果分析34-36
• 2.6.2 流場計算結(jié)果分析36-38
• 2.7 本章小結(jié)38-39
• 3 氣缸蓋熱-固耦合分析39-47
• 3.1 三維組合模型及網(wǎng)格劃分39-41
• 3.2 位移及接觸邊界條件41-42
• 3.3 載荷邊界條件42-43
• 3.4 熱-固耦合結(jié)果分析43-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 4 氣缸蓋熱-流-固耦合高周疲勞壽命預(yù)測分析47-69
• 4.1 氣缸蓋壽命預(yù)測47-57
• 4.1.1 壽命預(yù)測分析方法47-52
• 4.1.2 疲勞載荷譜52-54
• 4.1.3 疲勞累積損傷理論54-57
• 4.2 氣缸蓋疲勞壽命結(jié)果分析57-63
• 4.2.1 基于氣缸蓋機械瞬態(tài)壽命預(yù)測分析58-61
• 4.2.2 基于氣缸蓋熱-流-固耦合瞬態(tài)疲勞壽命預(yù)測分析61-63
• 4.3 影響氣缸蓋疲勞壽命的因素63-67
• 4.3.1 影響疲勞壽命的因素63-64
• 4.3.2 氣缸蓋的表面粗糙度影響因素64-67
• 4.4 本章小結(jié)67-69
• 5 氣缸蓋啟動-停車循環(huán)低周疲勞壽命預(yù)測69-80
• 5.1 壽命預(yù)測方法69-73
• 5.1.1 局部應(yīng)力應(yīng)變壽命預(yù)測方法69-72
• 5.1.2 ε-N平均應(yīng)力修正72-73
• 5.2 標(biāo)準(zhǔn)試件邊界條件施加73-74
• 5.3 標(biāo)準(zhǔn)試件熱-固耦合結(jié)果74-75
• 5.4 標(biāo)準(zhǔn)試件壽命預(yù)測分析75-79
• 5.5 本章小結(jié)79-80
• 6 結(jié)論與展望80-83
• 6.1 結(jié)論80-81
• 6.2 展望81-83
• 參考文獻83-87
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果87-88
• 致謝88-89

【參考文獻】

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本文編號：735712