發(fā)動機熱—流—固多場耦合仿真研究.pdf

1、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(jīng)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；

2、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(jié)構(gòu)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

3、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(nèi)容及結(jié)論如下：
　　首先，為了得到研究中所需要的網(wǎng)格模型及邊界條件，在保證仿真結(jié)果準確、計算速度快的基礎上，對缸體、缸蓋、水套等結(jié)構(gòu)的幾何模型進行清理，建立各網(wǎng)格模型；并根據(jù)熱力學知識、氣缸內(nèi)部換熱經(jīng)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(gòu)進行受力分析，計算得到了熱-機耦合瞬態(tài)分析所需的

4、活塞側(cè)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(jié)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(jié)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

5、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(jié)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

6、℃下降到185.6℃，并就改進結(jié)構(gòu)進行了變形和強度研究。結(jié)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