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柴油机气缸盖的有限元分析边界条件

发布于:2016-06-15 17:44
有限元分析

      柴油机气缸功能的重要性及结构的复杂性,使气缸盖成为内燃机的关键部件之一。但是,严酷的工作条件也使气缸盖,特别是高速、大功率内燃机气缸盖的强度可靠性显得更为重要,是内燃机整机可靠性的薄弱环节。
      长期以来,由于以往的技术条件限制,气缸盖可靠性的研究主要是采用实物疲劳试验的方法,发现问题晚,浪费了大量的人力物力,因此对其进行有限元分析的研究势在必行。事实上,世界上许多大型的发动机生产及研制单位均已开展了气缸盖的现代设计分析研究,并取得了一定的研究成果。但是,由于其结构的复杂性,大量文献采用二维或简单三维模型对其局部进行温度场或应力场分析,因此,使问题的求解域过小,模型的合理性难以保证。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,应该建立相应的分析标准,以便对其进行可靠的引导。
      本研究针对在热负荷方面具有一定优势的高速大功率内燃机铸铝合金气缸盖,研究其在单纯机械负荷作用下表现出的强度不足而出现断裂的问题,探讨其有限元分析边界条件的施加方式,结合现代CADApp强大的有限元网格生成功能,得出一个相应的、可靠的解决方案,为最终建立相应的计算标准奠定基础。
      本研究的气缸盖是三缸整体式水冷铸铝气缸盖,采用四气门,其中排气门和进气门各两个且各自沿燃烧室横向中心线对称分布;每缸在气缸周围对称布置四个小紧固螺栓孔、四个大紧固螺栓孔(相邻缸共用)。整个气缸盖关于中间缸的横向中面基本对称。如图为该气缸盖的仰视简图。气缸盖在底面燃烧室外侧设有内、外两圈小凹槽,用于放置密封钢丝,见图。气缸盖通过施加于大、小螺栓上的预紧力将内、外两圈密封钢丝压紧在安置于缸套的气缸垫上,从而达到密封目的。
      气缸盖机械负荷强度分析的边界条件主要包括三方面:
      (1)紧固螺栓的作用力;
      (2)气缸爆发压力;
      (3)与机体等其它装配件的相互作用。忽略气缸爆发压力分布的不均匀性,对边界条件(2)的仿真相对简单。通常可以采用均布面力的形式直接施加于有限元模型,在不对燃烧室表面进行详细应力分析的情况下,根据圣维南原理,这种处理对气缸盖其它部位应力结果的影响不大。必须考虑燃气压力的不均匀性时,在给定分布规律的情况下,运用现代有限元App也能较方便地进行施加。


                                                                                  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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