發(fā)動(dòng)機(jī)熱—流—固多場(chǎng)耦合仿真研究.pdf

1、發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種動(dòng)力裝置，已廣泛的應(yīng)用于汽車(chē)、船舶、航空等各大行業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有著非常重要的作用。在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中，其各個(gè)部件不僅受到熱負(fù)荷的作用，同時(shí)也受到機(jī)械載荷的作用，在這些載荷的耦合作用下，如果設(shè)計(jì)不合理，將引起發(fā)動(dòng)機(jī)的熱故障和強(qiáng)度問(wèn)題，這不僅導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，壽命嚴(yán)重縮短，甚至迫使發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法工作。
　　對(duì)缸體、缸蓋、缸套等主要部件進(jìn)行熱-流-固多場(chǎng)耦合仿真分析，可以得到比較詳盡的水套流場(chǎng)分布，缸體、缸蓋溫度場(chǎng)分布；

2、熱負(fù)荷、熱-機(jī)械載荷作用下的應(yīng)力分布和變形情況，這將有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷及強(qiáng)度方面的問(wèn)題與不足。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱-流-固多場(chǎng)耦合仿真分析涉及到傳熱學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、固體力學(xué)以及材料力學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，且各零部件的結(jié)構(gòu)非常的復(fù)雜，如何將發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件、各物理場(chǎng)相互耦合起來(lái)，以及如何解決耦合研究中溫度邊界的導(dǎo)入、控制瞬態(tài)分析求解時(shí)間、避免求解發(fā)散是其中需要解決的關(guān)鍵難點(diǎn)問(wèn)題。本文以正在開(kāi)發(fā)中的某款發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，基于有限元法，對(duì)上

3、述問(wèn)題進(jìn)行了較深入的研究，并建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱研究模型，并以該換熱研究得到的溫度場(chǎng)為熱負(fù)荷，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耦合強(qiáng)度進(jìn)行了研究。本文主要研究?jī)?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(zhǔn)確、計(jì)算速度快的基礎(chǔ)上，對(duì)缸體、缸蓋、水套等結(jié)構(gòu)的幾何模型進(jìn)行清理，建立各網(wǎng)格模型；并根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)、氣缸內(nèi)部換熱經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了各壁面的換熱邊界條件；同時(shí)對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，計(jì)算得到了熱-機(jī)耦合瞬態(tài)分析所需的

4、活塞側(cè)擊力、活塞位移等機(jī)械載荷。
　　其次，建立了缸體-缸蓋-水套組成的發(fā)動(dòng)機(jī)共軛換熱有限元模型，進(jìn)行換熱分析，并對(duì)仿真結(jié)果從流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究；同時(shí)導(dǎo)出了適合發(fā)動(dòng)機(jī)耦合強(qiáng)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(duì)水套進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
　　再次，通過(guò)Matlab編程，合理設(shè)置材料導(dǎo)熱系數(shù)、阻尼和約束的方法，在有效解決邊界條件導(dǎo)入、求解時(shí)間長(zhǎng)、求解不

5、收斂難題的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了缸體-缸蓋-缸套等組件的熱應(yīng)力準(zhǔn)靜態(tài)分析、及缸體-缸蓋-缸套-活塞等組件的熱-機(jī)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(shè)計(jì)要求的情況下，缸體、缸蓋的應(yīng)力、變形也許仍能滿足要求，因此，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)各方面均滿足設(shè)計(jì)要求，需要從溫度、應(yīng)力、變形各方面分別進(jìn)行評(píng)估。
　　最后，針對(duì)缸蓋鼻梁區(qū)溫度較高的問(wèn)題，根據(jù)上水孔分布對(duì)缸蓋水套流場(chǎng)的影響規(guī)律，對(duì)缸墊上水孔分布進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，使缸蓋的最高溫度從198.8

6、℃下降到185.6℃，并就改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變形和強(qiáng)度研究。結(jié)果表明：改進(jìn)缸墊上水孔分布對(duì)改善水套的冷卻非常有效，且改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)在溫度、強(qiáng)度、變形方面均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
　　綜上可知，本文通過(guò)依次對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的共軛換熱研究、熱應(yīng)力研究及熱-機(jī)耦合研究，有效地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)的多場(chǎng)耦合仿真問(wèn)題，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決了發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)中的設(shè)計(jì)缺陷和不足，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)周期，加快了其開(kāi)發(fā)進(jìn)程，這不僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)也為發(fā)動(dòng)機(jī)多