缸蓋熱可靠性工程設計基礎問題研究.pdf

1、缸蓋在內燃機運行中承受氣體燃燒產生的熱載荷及爆發(fā)壓力載荷，內燃機大幅工況變化易引起缸蓋發(fā)生低周疲勞，失效區(qū)域多集中在缸蓋鼻梁區(qū)、噴油器孔等熱應力較高位置處。缸蓋熱可靠性設計的關鍵是通過優(yōu)化結構、材料等因素使失效區(qū)域疲勞壽命滿足使用要求，為了解決缸蓋熱可靠性設計中計算分析流程耗時、缺乏系統(tǒng)的設計依據和優(yōu)化效率低的問題，本文對缸蓋模型進行結構簡化及參數化，并搭建了建模-求解-后處理自動分析平臺，應用該平臺開展燃燒強度、冷卻流動、材料、水腔結

2、構因素對缸蓋熱狀態(tài)影響研究，在此基礎上為減少仿真計算量，提高全局尋優(yōu)效率，建立了缸蓋熱狀態(tài)近似模型，結合遺傳算法實現全局自動尋優(yōu)，并在缸蓋熱可靠性優(yōu)化設計中進行應用。本文工作包括以下內容:
　　(1)缸蓋流固耦合數值仿真參數化模型研究。首先通過一維燃燒、一維冷卻系統(tǒng)仿真，結合熱平衡試驗獲得燃氣、冷卻液邊界條件，然后采用流固耦合數值仿真方法進行整機仿真，獲取整機冷卻水套流場、固體溫度場和應力場;基于整機計算結果和缸蓋結構特點，兼顧計

3、算精度和時間成本，將缸蓋結構進行簡化并建立參數化模型，使用整機溫度場計算結果和實機缸蓋測溫數據驗證了該模型，并分析了基于有限容積法的應力求解器的精度，比較了參數化模型和整機模型的計算成本。結果表明，缸蓋參數化模型在大幅度減少計算成本的同時具有較好的精度。
　　(2)缸蓋熱狀態(tài)變化規(guī)律數值仿真研究。搭建了建模-求解-后處理自動分析平臺，基于該平臺和缸蓋參數化模型，采用正交設計方法，研究燃燒強度、材料、冷卻液流動、缸蓋底板水腔結構對缸

4、蓋鼻梁區(qū)溫度、應力的影響規(guī)律，分類比較了各因素的靈敏度。結果表明，燃燒強度、材料、冷卻液因素對熱狀態(tài)影響規(guī)律呈近似線性特點;對于結構因素影響，以水腔結構對鼻梁區(qū)溫度、應力影響為例，排氣門鼻梁區(qū)溫度主要受該處鼻梁區(qū)水腔高度、寬度影響，而排氣門鼻梁區(qū)應力則受各處鼻梁區(qū)水腔結構影響，說明水腔結構因素對鼻梁區(qū)溫度和應力的影響分別呈局部和全局性的特點。研究所得的各因素影響規(guī)律和靈敏度可以為后續(xù)的缸蓋熱狀態(tài)近似模型建立提供依據。
　　(3)機

5、械載荷、材料塑性對缸蓋熱機耦合應力場影響研究。建立包含缸蓋、螺栓、假機體的熱機耦合模型，分析螺栓預緊力及燃氣爆壓對缸蓋底板熱機耦合應力場的影響;同時針對灰鑄鐵材料，分析材料塑性設置對熱機耦合應力、應變計算結果的影響。結果表明，螺栓預緊力、燃氣爆壓、材料塑性的變化會小幅改變缸蓋鼻梁區(qū)的應變幅值，在進行缸蓋低周疲勞預測時，為了提高缸蓋可靠性預測的準確度，應考慮上述熱機耦合效應。
　　(4)缸蓋熱狀態(tài)近似模型研究。以缸蓋底板厚度，缸內燃

6、氣溫度、換熱系數作為邊界條件，缸蓋鼻梁區(qū)水腔結構、冷卻液流量作為設計變量，采用最優(yōu)拉丁超立方設計樣本點，并基于一階響應面、二階響應面、徑向基神經網絡(RBF)方法建立了缸蓋鼻梁區(qū)溫度、應力，以及缸蓋水腔傳熱量和水腔阻力的近似模型，對比了各種方法建立的近似模型精度，并綜合考慮精度和模型復雜程度，選擇二階響應面方法來構建各指標近似模型，替代參數化模型仿真。在此基礎上，應用低周疲勞理論，構建了基于近似模型的各鼻梁區(qū)壽命和損傷的計算函數，為后續(xù)

7、優(yōu)化設計奠定了基礎理論。
　　(5)基于近似模型的缸蓋熱可靠性結構優(yōu)化設計方法應用。以內燃機升功率提升缸蓋優(yōu)化設計為應用案例，基于缸蓋熱狀態(tài)近似模型，將水腔阻力和缸蓋傳熱量作為約束條件，將缸蓋鼻梁區(qū)的損傷作為目標函數，結合多島遺傳算法進行全局優(yōu)化，計算得到設計變量優(yōu)化值，比較了應用近似模型替代仿真模型的優(yōu)化效率，整機熱機耦合應力應變和疲勞壽命計算結果驗證了該優(yōu)化方案。結果表明，優(yōu)化方案缸蓋鼻梁區(qū)疲勞壽命顯著提高，優(yōu)化算法結合近似模