氣缸蓋作為柴油機(jī)的關(guān)重件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,其可靠性與整機(jī)的可靠性密切相關(guān)。本文以某中高速船用柴油機(jī)關(guān)鍵零部件開發(fā)設(shè)計(jì)為背景,為準(zhǔn)確預(yù)測柴油機(jī)氣缸蓋設(shè)計(jì)的可靠性,開展了氣缸蓋的多場耦合仿真。針對船用柴油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)提高導(dǎo)致氣缸蓋面臨熱負(fù)荷增大的問題,開展了氣缸蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)、不同因素對熱負(fù)荷的影響規(guī)律及敏感性研究,為以后更有方向性地控制高強(qiáng)化氣缸蓋的熱負(fù)荷提供參考,具有重要意義。主要研究內(nèi)容如下:（1）基于氣缸蓋所涉及的多物理場理論,建立了柴油機(jī)熱力學(xué)模型、冷卻水CFD模型、溫度場及結(jié)構(gòu)場有限元模型。主要研究了氣缸蓋換熱邊界的確定、流場與溫度場耦合分析、溫度場與結(jié)構(gòu)場耦合分析,采用了火力面分區(qū)與徑向擬合曲線方程相結(jié)合加載熱側(cè)邊界的方法,編寫的宏文件實(shí)現(xiàn)了冷邊界的自動(dòng)映射。通過對建模及求解方法的研究,給出了氣缸蓋多物理場耦合仿真的技術(shù)途徑。（2）為了實(shí)現(xiàn)增大缸蓋火力面溫度安全裕度的目標(biāo),從結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究分析,采取氣缸蓋底板減薄的措施,結(jié)果表明氣缸蓋改進(jìn)方案的熱負(fù)荷相對原方案得到改善,氣缸蓋底板減薄2mm可使缸蓋火力面溫度值降低5-6℃。改進(jìn)方案的疲勞安全系數(shù)最小為1.58,高于缸蓋疲勞... 

【文章來源】：中國艦船研究院北京市

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

MTU12V4000柴油機(jī)

的可靠性是其最重要的指標(biāo)之一，因此保證船用柴油機(jī)工作的可靠性是其所有技術(shù)創(chuàng)新的前提要求。目前世界上主要的先進(jìn)柴油機(jī)研究機(jī)構(gòu)，通常采取優(yōu)化缸內(nèi)燃燒、智能化控制、零部件模塊化等技術(shù)手段，在提高船用柴油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的同時(shí)，又較好的提高了船用柴油機(jī)的可靠性與使用壽命，如德國的羅羅動(dòng)力系統(tǒng)公司開發(fā)的船用MTU8000系列柴油機(jī)的大修期是原來956系列柴油機(jī)的兩倍左右。目前來說，MTU4000系列以及MTU8000系列柴油機(jī)，代表著中高速船用柴油機(jī)未來的發(fā)展方向[3]；兩代表機(jī)型如圖1-1與圖1-2所示。圖1-1MTU12V4000柴油機(jī)圖1-2MTU20V8000柴油機(jī)（2）氣缸蓋作為柴油機(jī)關(guān)鍵零部件之一，其工作狀態(tài)直接影響著整機(jī)的使用壽命。氣缸蓋作為柴油機(jī)燃燒室的組成部分，與活塞、氣缸套共同組成密閉的空間，為需要作功的高溫高壓燃?xì)馓峁┕ぷ魅莘e；這意味著其直接承受著缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫高壓載荷，工作條件十分惡劣[4]。對于四沖程、大功率中高速船用柴油機(jī)的氣缸蓋，由于強(qiáng)化指標(biāo)高、熱負(fù)荷大的特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)十分緊湊與復(fù)雜。同時(shí)，由于柴油機(jī)缸內(nèi)工作過程及氣缸蓋冷卻與傳熱的復(fù)雜性，柴油機(jī)氣缸蓋的結(jié)構(gòu)形式頗為繁多。一般可根據(jù)柴油機(jī)缸徑大小和氣缸之間的共用情況對氣缸蓋進(jìn)行分類，主要有整體式、分體式、單體式，如圖1-3。其冷卻水套的結(jié)構(gòu)也存在不同形式，包括一體式水腔、雙層水腔、多層水腔等，冷卻水的流動(dòng)方式分為自下而上與自上而下式兩種[5]，如圖1-4。

船用柴油機(jī)氣缸蓋多場耦合仿真及參數(shù)敏感性分析2圖1-3缸蓋形式與缸徑的對應(yīng)關(guān)系圖1-4左側(cè)為自下而上式、右側(cè)為自上而下隨著柴油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的繼續(xù)提高，柴油機(jī)受熱零部件的熱負(fù)荷也將不斷增大；這就對柴油機(jī)氣缸蓋的承載能力提出了更高的要求，其可靠性也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。在柴油機(jī)工作過程中，氣缸蓋始終承受著多種交變的載荷力以及很高的熱載，從而也使得氣缸蓋故障較為多發(fā)，比如：缸蓋底面燒蝕、鼻梁區(qū)開裂、氣道部位出現(xiàn)裂紋、閥座燒蝕、漏水或脫落等缸蓋失效形式，如圖1-5與圖1-6；這些都嚴(yán)重影響著柴油機(jī)性能與可靠性。因此，從設(shè)計(jì)階段預(yù)防氣缸蓋故障的產(chǎn)生是保證柴油機(jī)長壽命高可靠性的重要前提，在設(shè)計(jì)中利用數(shù)值仿真技術(shù)評估柴油機(jī)缸蓋設(shè)計(jì)的合理性以及研究相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律對柴油機(jī)新機(jī)型的開發(fā)設(shè)計(jì)具有重要工程意義。圖1-5鼻梁裂紋圖1-6氣道開裂因此，本文以某中高速船用柴油機(jī)關(guān)鍵零部件開發(fā)設(shè)計(jì)為背景，為準(zhǔn)確預(yù)測船用柴油機(jī)氣缸蓋設(shè)計(jì)的可靠性，利用數(shù)值仿真技術(shù)對該船用柴油機(jī)氣缸蓋的溫度嘗應(yīng)力場以及疲勞強(qiáng)度開展多場耦合仿真分析。針對船用柴油機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)提高導(dǎo)致氣缸蓋面臨熱

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]缸蓋冷卻水套內(nèi)沸騰傳熱特性的研究[D]. 傅松.山東大學(xué) 2010

碩士論文
[1]柴油機(jī)氣缸蓋內(nèi)流動(dòng)換熱研究及水腔結(jié)構(gòu)改進(jìn)[D]. 胥振龍.江蘇大學(xué) 2018
[2]面向柴油機(jī)強(qiáng)化的缸蓋冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 王俊杰.浙江大學(xué) 2018
[3]變海拔條件下某柴油機(jī)缸蓋熱狀態(tài)的變化規(guī)律研究[D]. 甘慶良.浙江大學(xué) 2018
[4]某柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)及缸蓋換熱的CFD分析[D]. 周雪凱.大連理工大學(xué) 2017
[5]柴油機(jī)缸蓋熱負(fù)荷及冷卻水腔強(qiáng)化傳熱研究[D]. 吳倩文.山東大學(xué) 2016
[6]大功率游艇用柴油機(jī)氣缸蓋的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D]. 康明明.天津大學(xué) 2016
[7]柴油機(jī)缸蓋熱固耦合分析及其熱負(fù)荷性能影響特性研究[D]. 何偉.湖南大學(xué) 2016
[8]基于熱—流—固耦合的氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測方法研究[D]. 黨娟.中北大學(xué) 2015
[9]基于有限元法的缸蓋疲勞實(shí)驗(yàn)相關(guān)性研究[D]. 李柯亮.山東大學(xué) 2015
[10]大功率特種柴油機(jī)改進(jìn)中關(guān)鍵部件的熱負(fù)荷分析研究[D]. 劉鵬飛.中國艦船研究院 2015



本文編號：3038628