本文關鍵詞：發(fā)動機熱—流—固多場耦合仿真研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：發(fā)動機作為一種動力裝置，已廣泛的應用于汽車、船舶、航空等各大行業(yè)，在國民經濟中有著非常重要的作用。在發(fā)動機的工作過程中，其各個部件不僅受到熱負荷的作用，同時也受到機械載荷的作用，在這些載荷的耦合作用下，如果設計不合理，將引起發(fā)動機的熱故障和強度問題，這不僅導致發(fā)動機功率下降，壽命嚴重縮短，，甚至迫使發(fā)動機無法工作。 對缸體、缸蓋、缸套等主要部件進行熱-流-固多場耦合仿真分析，可以得到比較詳盡的水套流場分布，缸體、缸蓋溫度場分布；熱負荷、熱-機械載荷作用下的應力分布和變形情況，這將有助于及時發(fā)現(xiàn)發(fā)動機熱負荷及強度方面的問題與不足。但是，發(fā)動機的熱-流-固多場耦合仿真分析涉及到傳熱學、熱力學、流體力學、固體力學以及材料力學等多學科知識，且各零部件的結構非常的復雜，如何將發(fā)動機各個部件、各物理場相互耦合起來，以及如何解決耦合研究中溫度邊界的導入、控制瞬態(tài)分析求解時間、避免求解發(fā)散是其中需要解決的關鍵難點問題。本文以正在開發(fā)中的某款發(fā)動機為研究對象，基于有限元法，對上述問題進行了較深入的研究，并建立了發(fā)動機的換熱研究模型，并以該換熱研究得到的溫度場為熱負荷，對發(fā)動機耦合強度進行了研究。本文主要研究內容及結論如下： 首先，為了得到研究中所需要的網格模型及邊界條件，在保證仿真結果準確、計算速度快的基礎上，對缸體、缸蓋、水套等結構的幾何模型進行清理，建立各網格模型；并根據(jù)熱力學知識、氣缸內部換熱經驗公式計算了各壁面的換熱邊界條件；同時對曲柄連桿機構進行受力分析，計算得到了熱-機耦合瞬態(tài)分析所需的活塞側擊力、活塞位移等機械載荷。 其次，建立了缸體-缸蓋-水套組成的發(fā)動機共軛換熱有限元模型，進行換熱分析，并對仿真結果從流場、溫度場進行了研究；同時導出了適合發(fā)動機耦合強度分析的缸體、缸蓋溫度邊界。結果顯示：缸蓋上的最高溫為198.8℃，非常接近材料易于發(fā)生蠕變及熱疲勞的極限溫度，需要對水套進行改進設計。 再次，通過Matlab編程，合理設置材料導熱系數(shù)、阻尼和約束的方法，在有效解決邊界條件導入、求解時間長、求解不收斂難題的基礎上，實現(xiàn)了缸體-缸蓋-缸套等組件的熱應力準靜態(tài)分析、及缸體-缸蓋-缸套-活塞等組件的熱-機耦合瞬態(tài)分析。研究結果表明：在缸蓋最高溫度不滿足設計要求的情況下，缸體、缸蓋的應力、變形也許仍能滿足要求，因此，為確保發(fā)動機各方面均滿足設計要求，需要從溫度、應力、變形各方面分別進行評估。 最后，針對缸蓋鼻梁區(qū)溫度較高的問題，根據(jù)上水孔分布對缸蓋水套流場的影響規(guī)律，對缸墊上水孔分布進行了改進設計，使缸蓋的最高溫度從198.8℃下降到185.6℃，并就改進結構進行了變形和強度研究。結果表明：改進缸墊上水孔分布對改善水套的冷卻非常有效，且改進后的發(fā)動機在溫度、強度、變形方面均達到了設計要求。 綜上可知，本文通過依次對發(fā)動機的共軛換熱研究、熱應力研究及熱-機耦合研究，有效地解決了發(fā)動機的多場耦合仿真問題，并及時發(fā)現(xiàn)和解決了發(fā)動機開發(fā)中的設計缺陷和不足，縮短了發(fā)動機的設計周期，加快了其開發(fā)進程，這不僅對發(fā)動機的設計開發(fā)具有一定的指導意義，同時也為發(fā)動機多場耦合研究提供了一種方法。
【關鍵詞】：發(fā)動機 多場耦合 有限元
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：U464.12
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-17
• 1.1 本文研究的背景和意義9-10
• 1.2 發(fā)動機多場耦合分析的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢10-14
• 1.2.1 國外方面10-12
• 1.2.2 國內方面12-14
• 1.3 本文的主要研究內容14-17
• 2 網格模型的建模及邊界條件研究17-31
• 2.1 網格模型的建立17-21
• 2.1.1 固體域網格建模18-20
• 2.1.2 流體域網格建模20-21
• 2.2 邊界條件分析計算21-29
• 2.2.1 熱邊界分析21-26
• 2.2.2 流場邊界分析26
• 2.2.3 機械載荷分析26-29
• 2.3 本章小結29-31
• 3 發(fā)動機耦合模型的共軛換熱研究31-45
• 3.1 有限元建模及前處理31-32
• 3.2 結果分析32-43
• 3.2.1 流場分析32-38
• 3.2.2 溫度場分析38-43
• 3.3 導出耦合強度分析的溫度邊界43-44
• 3.4 本章小結44-45
• 4 發(fā)動機耦合模型的強度研究45-69
• 4.1 熱負荷作用下的熱應力分析45-56
• 4.1.1 計算模型的建立45-47
• 4.1.2 結果分析47-56
• 4.2 熱-機械負荷耦合作用下的瞬態(tài)強度分析56-67
• 4.2.1 計算模型的建立56-57
• 4.2.2 結果分析57-67
• 4.3 本章小結67-69
• 5 改進分析69-91
• 5.1 改進方案69-71
• 5.2 改進后結果對比分析71-90
• 5.2.1 流場對比分析71-77
• 5.2.2 溫度場對比分析77-81
• 5.2.3 熱負荷作用下強度對比分析81-86
• 5.2.4 熱-機械載荷耦合作用下強度對比分析86-90
• 5.3 本章小結90-91
• 6 全文總結91-95
• 6.1 工作總結及主要結論91-92
• 6.2 存在的問題及發(fā)展方向92-95
• 致謝95-97
• 參考文獻97-101
• 附錄101

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