基于有限单元法的柴油机气缸套失圆研究

论文摘要

伴随着现代发动机向轻量化、高速化和高功率密度化发展,作为发动机的核心部件,气缸套在工作中承受着越来越高的热负荷、气动载荷和机械负荷,不可避免地出现缸套失圆现象。在发动机工作过程中,缸套的失圆直接影响到气缸套与活塞环间的间隙以及缸套与缸盖间的密闭性,从而导致机油消耗增加、产生窜漏、增加磨损和燃油消耗。为了达到将来的排放法规要求和提高燃油经济性,研究气缸套失圆问题是十分必要的,因而具有重要意义。气缸套失圆问题的复杂性和发动机结构特性决定了使用解析的理论分析方法和试验研究方法研究该问题存在一定的局限性。随着CAE技术的不断发展,三维仿真技术越来越成熟,利用有限元法模拟计算气缸套失圆成为可能。本论文利用CAE技术的优势,重点研究预紧力作用下和热-机耦合状态下的气缸套失圆问题。参照4100QB柴油机机体模型,本文建立理想的薄壁桶模型和螺栓一体化模型,以研究预紧力合理的施加方式。结果表明,通过建立接触对来施加预紧力的方法是合理的,能达到计算精度要求。通过设置不同预紧力水平、材料属性、预紧螺栓长度和螺纹孔第一螺纹位置,研究薄壁桶件模型在不同状况下的缸套失圆,重点研究缸套失圆的规律性,对各变形影响因素进行定量分析。结果表明,气缸套在预紧力作用下整体呈现规律的四阶失圆,上部失圆度最大,下部失圆度较小;预紧力对失圆的贡献最大,随着预紧力的增大,气缸套失圆度增大;气缸套和气缸衬垫的刚度都直接和间接地影响到缸套的失圆度,较大的刚度可以降低缸套的失圆度;螺栓长度增加能够更平均地分配预紧力,从而对气缸套失圆有一定影响;螺栓孔第一螺纹位置的降低可以减小气缸套的失圆。利用薄壁桶模型的研究结果,通过建立某公司4100QB柴油机的实体及有限元模型,分析组合体的温度分布,并研究该机在预紧力作用下和热-机耦合作用下的气缸套失圆。结果表明,热-机耦合作用下的失圆度远大于预紧力工况下的失圆度,且整体呈二阶椭圆失圆。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 机油消耗对PM排放的影响
• 1.1.2 缸套失圆对机油消耗的影响
• 1.1.3 缸套失圆对其它方面的影响
• 1.2 缸套失圆的国内外研究现状
• 1.2.1 缸套失圆形式的数学表达和图形表示
• 1.2.2 缸套失圆的影响因素
• 1.2.3 缸套失圆测量
• 1.2.4 缸套失圆的模拟计算
• 1.3 本论文的研究内容及意义
• 第二章 薄壁桶件有限元建模
• 2.1 薄壁桶件模形建模原则
• 2.2 有限元建模及分析软件介绍
• 2.2.1 Pro/Engineer 软件的介绍
• 2.2.2 Altair Hypermesh 软件的介绍
• 2.2.3 Abaqus 软件的介绍
• 2.3 薄壁桶件CAD 模型的建立
• 2.4 薄壁桶件有限元模型建立
• 2.4.1 单元类型和数量的选择
• 2.4.2 薄壁桶件有限元网格生成
• 2.5 螺栓一体化有限元模型建立
• 2.6 本章小结
• 第三章 薄壁桶件在螺栓预紧力下的失圆模拟研究
• 3.1 结构分析的有限元理论基础
• 3.1.1 有限元法的一般过程
• 3.1.2 基本未知量和基本方程的矩阵表示
• 3.1.3 单元分析
• 3.1.4 整体分析
• 3.2 计算模型边界条件的确定
• 3.2.1 螺栓预紧力的确定
• 3.2.2 位移边界条件的确定
• 3.2.3 模型材料属性的确定
• 3.3 计算工况和分析步的选择
• 3.4 计算结果及分析
• 3.4.1 预紧力施加方式对气缸套失圆影响
• 3.4.2 预紧力大小对气缸套失圆影响
• 3.4.3 物理特性参数对气缸套失圆影响
• 3.4.4 预紧螺栓的长度对气缸套失圆影响
• 3.4.5 螺栓孔第一螺纹位置对气缸套失圆影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 4100QB 气缸套失圆有限元研究
• 4.1 4100QB 有限元建模
• 4.1.1 4100QB 组合体CAD 模型建立
• 4.1.2 4100QB 组合体网格划分
• 4.2 4100QB 气缸套在预紧力工况下失圆分析
• 4.2.1 计算工况选择和边界条件、分析步设置
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 4100QB 温度场分析
• 4.3.1 传热分析有限元法基本原理
• 4.3.2 4100QB 传热边界条件的确定
• 4.3.3 4100QB 温度场计算分析
• 4.4 4100QB 热机耦合气缸套失圆分析
• 4.4.1 耦合分析简介
• 4.4.2 4100QB 热机耦合气缸套失圆结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文工作总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢