气缸盖在冲击载荷作用下的疲劳寿命预测

论文摘要

作为发动机上最为复杂也是最为重要的零部件之一,气缸盖长期工作在高温、高压和高腐蚀的环境中,主要承受来自气缸的热载荷、冲击载荷以及来自螺栓的预紧力。气缸盖的寿命和可靠性直接决定了发动机的性能。在以往的很多研究中常常用静载荷代替等幅的冲击载荷对结构进行加载,这是不准确的。本文针对气缸内压力载荷的特点,根据实测压力数据模拟气缸内的冲击载荷对结构进行加载,从而对在热-机械载荷作用下的气缸盖进行疲劳寿命预测和可靠性评估。本文根据实测气缸压力数据拟合出了冲击载荷曲线,并运用交互式曲面造型方法建立了包括气缸盖、气缸体和螺栓在内的结构。对结构进行稳态热分析和静力分析后发现,在火力面上靠近排气口处和排气口内的凸台处出现了较高的温度和热应力,这是由于该处结构散热不理想造成的。考虑到冲击载荷的特性以及分析结果的要求,本文对结构进行了瞬态动力学分析,发现结构在冲击载荷作用下产生了振动。瞬态动力学分析结果中还包括了结构内部各点的局部载荷-时间历程等动态响应数据。根据分析结果,确定了结构上若干危险点,采用时域内的振动疲劳分析方法对危险点的疲劳寿命进行了预测,进而得到了结构的疲劳寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的
• 1.2 国内外发动机强度研究发展现状
• 1.3 有限元理论发展现状
• 1.4 研究冲击载荷的必要性
• 1.5 主要研究内容
• 1.5.1 气缸内压力载荷的模拟
• 1.5.2 结构在冲击载荷作用下的动态响应分析
• 1.5.3 结构疲劳寿命预测
• 第2章 气缸压力数据的处理
• 2.1 测量误差的来源
• 2.1.1 测量装置误差
• 2.1.2 测量方法误差
• 2.1.3 测量环境误差
• 2.1.4 测量人员误差
• 2.2 MATLAB软件简介
• 2.2.1 MATLAB的特点
• 2.2.2 MATLAB 7.X版本的最新功能
• 2.3 气缸压力数据的采集
• 2.4 气缸压力数据的处理
• 2.4.1 中值法滤波
• 2.4.2 剔除奇异点
• 2.4.3 五点三次平滑
• 2.5 压力数据处理结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 气缸压力曲线的拟合
• 3.1 冲击载荷
• 3.2 数据拟合的最小二乘法原理
• 3.3 气缸压力曲线的拟合
• 3.4 冲击载荷的模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 气缸盖有限元分析理论基础
• 4.1 有限元方法概述
• 4.2 结构热分析及热应力分析的有限元法
• 4.2.1 热量传递基本方式
• 4.2.2 导热微分方程式
• 4.2.3 温度场的有限元分析
• 4.2.4 热应力的有限元分析
• 4.3 结构动力学分析的有限元法
• 4.3.1 结构动力学基本方程式的建立
• 4.3.2 结构的动响应分析
• 4.4 软件介绍
• 4.4.1 Pro/Engineer
• 4.4.2 HyperMesh
• 4.4.3 ANSYS
• 4.5 材料ZL702A的性能
• 4.6 本章小结
• 第5章 气缸盖动态响应分析
• 5.1 主要结构参数
• 5.2 气缸盖模型的建立
• 5.2.1 气缸盖三维实体模型的建立
• 5.2.2 气缸盖有限元模型的建立
• 5.3 结构的边界条件
• 5.3.1 位移边界条件
• 5.3.2 温度边界条件
• 5.3.3 载荷边界条件
• 5.4 气缸盖温度场分析
• 5.5 气缸盖热应力分析
• 5.6 气缸盖在冲击载荷作用下的瞬态动力学分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 气缸盖疲劳寿命预测
• 6.1 结构的疲劳破坏
• 6.2 疲劳寿命曲线与疲劳极限
• 6.3 疲劳极限线图
• 6.4 疲劳损伤累积理论
• 6.5 疲劳载荷谱的编制
• 6.6 算例
• 6.7 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢