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某型柴油机气缸盖的有限元分析

发布于:2016-04-02 20:22
有限元分析

      气缸盖用来密封气缸的上面部分,它与活塞顶及气缸内壁共同组成燃烧空间。气缸盖的结构形状十分复杂,承受着气体作用力和气缸盖螺栓的预紧力。气缸盖各部分温度很不均匀,气缸盖底面燃烧室部分温度很高,而冷却水套或散热片部分的温度很低,进气道和排气道的温度也不相同,因此,气缸盖的机械应力和热应力都很大。特别是由于高温和温度分布不均匀而产生的热应力的反复作用往往形成热疲劳裂纹。同时,气缸盖受热时引起的变形如果过大,会影响与气缸的接合面和气门座接合面的密封,加速气门座的磨损产生气门杆“咬死”,甚至造成漏气、漏水和漏油等现象使内燃机无法工作。正确分析缸盖的温度场和应力场是缸盖结构设计的依据,利用有限元分析法可以缩短缸盖设计周期,降低成本。但是,由于其结构的复杂性,以及缸盖和周围零件之间复杂的接触配合关系,使缸盖有限元计算变得异常困难。
      大量文献采用二维或简单三维模型对其进行温度场或应力场分析,使问题的求解域过小,模型的合理性难以保证,其计算结果和实际情况有很大差异。即便有些文献能够得到较好的计算结果,也主要是得益于对比相关试验的试算,建模和分析方法缺乏通用性和实用性。为此,以某型柴油机气缸盖为例,研究其在机械负荷和热负荷下的结构强度,探讨气缸盖有限元分析中的方法问题。
      研究的气缸盖是六缸整体式水冷灰铸铁气缸盖。考虑到缸盖的机械负荷主要来自预紧工况,且缸盖结构基本对称、各缸盖的刚度相互影响很小,预紧工况载荷对称,因此取单缸模型进行分析即可。
      采用CADAppI-DEAS建立缸盖单缸实体模型见图。采用解气门,每缸在气缸周围对称布置6个紧固螺栓孔(相邻缸共用)。对某些对缸盖强度和变形影响极小的倒角等予以忽略,这样有利于减少计算量,缩短计算周期。进、排气道采用截面放样得到,图为进气道实体模型图。考虑到缸盖和机体的接触以及机体刚度对缸盖的影响,对与缸盖接触的机体采用高度方向刚度等效机体模型,截面为缸盖火力板。
      在保证目标求解精度的前提下,尽量减小有限元模型的求解规模是关系到问题求解成功率的关键,因此在建立有限元模型的时候必须进行有限元离散误差的收敛性分析。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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