本文關(guān)鍵詞：基于熱—流—固耦合的氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究

  更多相關(guān)文章： 氣缸蓋 熱-流-固耦合 疲勞壽命 表面粗糙度

【摘要】：氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵重要零件之一，結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜，其與活塞共同形成燃燒室，在工作中承受高溫、高壓的燃?xì)鈮毫吐菟A(yù)緊力；氣缸蓋的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生周期性的變化，容易產(chǎn)生疲勞破壞。這就需要對(duì)氣缸蓋疲勞壽命進(jìn)行分析研究，氣缸蓋一個(gè)完整的疲勞分析應(yīng)該包括高周和低周疲勞分析，氣缸蓋的高周疲勞主要是循環(huán)爆發(fā)壓力產(chǎn)生的應(yīng)力幅和熱載荷產(chǎn)生的平均應(yīng)力造成的；低周疲勞主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)啟動(dòng)和關(guān)閉產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力導(dǎo)致的；熱應(yīng)力是由于溫度載荷產(chǎn)生的，，目前氣缸蓋考慮溫度影響時(shí)，多采用熱-流-固耦合方式進(jìn)行應(yīng)力分布分析。對(duì)上述氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測(cè)有兩種方法：一種是試驗(yàn)方法，這種方法雖然可靠，但耗資大，工作繁瑣，進(jìn)度慢；一種方法是疲勞壽命分析法，這種方法是依據(jù)材料的屬性，結(jié)合載荷歷程選取疲勞壽命分析模型來(lái)計(jì)算分析出構(gòu)件的疲勞壽命，這種方法分析模型較多，若對(duì)氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測(cè)選擇不合適的分析模型，則會(huì)導(dǎo)致其壽命結(jié)果誤差大。 針對(duì)上述問(wèn)題，本文以某柴油機(jī)氣缸蓋為研究對(duì)象，采用整場(chǎng)求解法對(duì)氣缸蓋與冷卻液進(jìn)行直接熱-流耦合計(jì)算，得到氣缸蓋的溫度場(chǎng)。將氣缸蓋各節(jié)點(diǎn)溫度與預(yù)緊力、爆發(fā)壓力耦合在一起對(duì)氣缸蓋進(jìn)行熱-固耦合計(jì)算。研究了氣缸蓋在機(jī)械載荷與熱-固耦合下的應(yīng)力分布，得到氣缸蓋應(yīng)力集中區(qū)域。采用完全瞬態(tài)法分別對(duì)氣缸蓋在機(jī)械載荷下和熱-固耦合下進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，將得到的應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)間歷程作為氣缸蓋壽命預(yù)測(cè)載荷譜的依據(jù)。對(duì)于氣缸蓋高周疲勞問(wèn)題，研究了多種疲勞壽命分析模型對(duì)其預(yù)測(cè)壽命的影響，得到一種適用于氣缸蓋壽命預(yù)測(cè)的模型；對(duì)于氣缸蓋啟動(dòng)-停車(chē)循環(huán)的低周疲勞問(wèn)題，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究，得到研究氣缸蓋啟動(dòng)-停車(chē)循環(huán)的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)的一種方法。 本文主要研究?jī)?nèi)容： （1）氣缸蓋熱-流-固耦合分析 以ANSYS流場(chǎng)分析軟件FLUENT為工具，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算氣缸蓋熱載荷邊界條件，得出不同區(qū)域施加的換熱系數(shù)、溫度及冷卻液進(jìn)出口邊界條件。運(yùn)用整場(chǎng)求解方法，選擇控制方程,對(duì)氣缸蓋和冷卻液進(jìn)行直接熱-流耦合仿真分析。研究了冷卻液流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和氣缸蓋的溫度場(chǎng)的流速與溫度分布情況,最終得到氣缸蓋各節(jié)點(diǎn)溫度。將氣缸蓋各節(jié)點(diǎn)溫度映射到ANSYS結(jié)構(gòu)分析的氣缸蓋組合模型中,在ANSYS中對(duì)氣缸蓋組合模型進(jìn)行預(yù)緊工況、爆發(fā)工況和熱-固耦合工況的靜態(tài)計(jì)算。研究了各工況氣缸蓋的應(yīng)力分布,找出了氣缸蓋的應(yīng)力集中區(qū)域與影響應(yīng)力集中的載荷。 (2)氣缸蓋高周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究 對(duì)氣缸蓋分別進(jìn)行機(jī)械載荷和熱-固耦合的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,得出應(yīng)力-時(shí)間、應(yīng)變-時(shí)間歷程,為氣缸蓋的疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了應(yīng)力譜數(shù)據(jù)。運(yùn)用疲勞分析軟件DesignLife對(duì)氣缸蓋進(jìn)行高周疲勞壽命預(yù)測(cè)。分別研究了氣缸蓋在機(jī)械載荷和熱-固耦合作用下選用三種不同損傷參量臨界面模型對(duì)氣缸蓋疲勞壽命的影響,得到一種適用于氣缸蓋的疲勞壽命預(yù)測(cè)的臨界面損傷參量模型,為氣缸蓋疲勞壽命設(shè)計(jì)提供一種可靠地壽命預(yù)測(cè)模型與理論依據(jù)。 研究了機(jī)械、熱載荷對(duì)氣缸蓋火力面高周疲勞壽命的影響,發(fā)現(xiàn)施加熱載荷后疲勞壽命最低位置位于火力面鼻梁處,在進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)時(shí)必須考慮熱載荷的影響. (3)影響氣缸蓋疲勞壽命的因素研究 重點(diǎn)研究了表面粗糙度對(duì)氣缸蓋壽命的影響。通過(guò)設(shè)置不同的表面粗糙度系數(shù)對(duì)氣缸蓋疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算,得到不同表面粗糙度系數(shù)對(duì)氣缸蓋疲勞壽命的影響曲線。 (4)探索了通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)氣缸蓋進(jìn)行低周疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)氣缸蓋啟動(dòng)-停車(chē)循環(huán)的低周疲勞問(wèn)題進(jìn)行了研究。壽命預(yù)測(cè)分析方法選擇ε-N曲線法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)分析,得到研究氣缸蓋啟動(dòng)-停車(chē)循環(huán)的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)的一種方法。
【關(guān)鍵詞】：氣缸蓋 熱-流-固耦合 疲勞壽命 表面粗糙度
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TK423
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 緒論12-21
• 1.1 論文的研究背景及意義12
• 1.2 論文目的12-13
• 1.3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)內(nèi)容研究現(xiàn)狀13-19
• 1.3.1 疲勞研究現(xiàn)狀13-15
• 1.3.2 氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀15-19
• 1.4 論文主要研究?jī)?nèi)容19-21
• 2 氣缸蓋與冷卻液耦合傳熱分析21-39
• 2.1 氣缸蓋與冷卻液（水腔）實(shí)體三維模型建立21-22
• 2.2 氣缸蓋與冷卻液模型網(wǎng)格劃分22-24
• 2.3 熱-流計(jì)算方程24-28
• 2.4 氣缸蓋和冷卻液耦合傳熱邊界條件確定28-33
• 2.4.1 熱分析理論28-31
• 2.4.2 固體壁面邊界條件確定31-32
• 2.4.3 冷卻液進(jìn)、出口邊界條件的確定32-33
• 2.5 FLUENT 求解設(shè)置33
• 2.6 熱-流耦合計(jì)算結(jié)果分析33-38
• 2.6.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析34-36
• 2.6.2 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析36-38
• 2.7 本章小結(jié)38-39
• 3 氣缸蓋熱-固耦合分析39-47
• 3.1 三維組合模型及網(wǎng)格劃分39-41
• 3.2 位移及接觸邊界條件41-42
• 3.3 載荷邊界條件42-43
• 3.4 熱-固耦合結(jié)果分析43-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 4 氣缸蓋熱-流-固耦合高周疲勞壽命預(yù)測(cè)分析47-69
• 4.1 氣缸蓋壽命預(yù)測(cè)47-57
• 4.1.1 壽命預(yù)測(cè)分析方法47-52
• 4.1.2 疲勞載荷譜52-54
• 4.1.3 疲勞累積損傷理論54-57
• 4.2 氣缸蓋疲勞壽命結(jié)果分析57-63
• 4.2.1 基于氣缸蓋機(jī)械瞬態(tài)壽命預(yù)測(cè)分析58-61
• 4.2.2 基于氣缸蓋熱-流-固耦合瞬態(tài)疲勞壽命預(yù)測(cè)分析61-63
• 4.3 影響氣缸蓋疲勞壽命的因素63-67
• 4.3.1 影響疲勞壽命的因素63-64
• 4.3.2 氣缸蓋的表面粗糙度影響因素64-67
• 4.4 本章小結(jié)67-69
• 5 氣缸蓋啟動(dòng)-停車(chē)循環(huán)低周疲勞壽命預(yù)測(cè)69-80
• 5.1 壽命預(yù)測(cè)方法69-73
• 5.1.1 局部應(yīng)力應(yīng)變壽命預(yù)測(cè)方法69-72
• 5.1.2 ε-N平均應(yīng)力修正72-73
• 5.2 標(biāo)準(zhǔn)試件邊界條件施加73-74
• 5.3 標(biāo)準(zhǔn)試件熱-固耦合結(jié)果74-75
• 5.4 標(biāo)準(zhǔn)試件壽命預(yù)測(cè)分析75-79
• 5.5 本章小結(jié)79-80
• 6 結(jié)論與展望80-83
• 6.1 結(jié)論80-81
• 6.2 展望81-83
• 參考文獻(xiàn)83-87
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果87-88
• 致謝88-89

【參考文獻(xiàn)】

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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本文編號(hào)：735712