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原文传递发动机热—流—固多场耦合仿真研究

论文题名：	发动机热—流—固多场耦合仿真研究
关键词：	发动机;热-流-固多场耦合;热负荷;网格模型
摘要：	发动机作为一种动力装置，已广泛的应用于汽车、船舶、航空等各大行业，在国民经济中有着非常重要的作用。在发动机的工作过程中，其各个部件不仅受到热负荷的作用，同时也受到机械载荷的作用，在这些载荷的耦合作用下，如果设计不合理，将引起发动机的热故障和强度问题，这不仅导致发动机功率下降，寿命严重缩短，甚至迫使发动机无法工作。　　对缸体、缸盖、缸套等主要部件进行热-流-固多场耦合仿真分析，可以得到比较详尽的水套流场分布，缸体、缸盖温度场分布；热负荷、热-机械载荷作用下的应力分布和变形情况，这将有助于及时发现发动机热负荷及强度方面的问题与不足。但是，发动机的热-流-固多场耦合仿真分析涉及到传热学、热力学、流体力学、固体力学以及材料力学等多学科知识，且各零部件的结构非常的复杂，如何将发动机各个部件、各物理场相互耦合起来，以及如何解决耦合研究中温度边界的导入、控制瞬态分析求解时间、避免求解发散是其中需要解决的关键难点问题。本文以正在开发中的某款发动机为研究对象，基于有限元法，对上述问题进行了较深入的研究，并建立了发动机的换热研究模型，并以该换热研究得到的温度场为热负荷，对发动机耦合强度进行了研究。本文主要研究内容及结论如下：　　首先，为了得到研究中所需要的网格模型及边界条件，在保证仿真结果准确、计算速度快的基础上，对缸体、缸盖、水套等结构的几何模型进行清理，建立各网格模型；并根据热力学知识、气缸内部换热经验公式计算了各壁面的换热边界条件；同时对曲柄连杆机构进行受力分析，计算得到了热-机耦合瞬态分析所需的活塞侧击力、活塞位移等机械载荷。　　其次，建立了缸体-缸盖-水套组成的发动机共轭换热有限元模型，进行换热分析，并对仿真结果从流场、温度场进行了研究；同时导出了适合发动机耦合强度分析的缸体、缸盖温度边界。结果显示：缸盖上的最高温为198.8℃，非常接近材料易于发生蠕变及热疲劳的极限温度，需要对水套进行改进设计。　　再次，通过Matlab编程，合理设置材料导热系数、阻尼和约束的方法，在有效解决边界条件导入、求解时间长、求解不收敛难题的基础上，实现了缸体-缸盖-缸套等组件的热应力准静态分析、及缸体-缸盖-缸套-活塞等组件的热-机耦合瞬态分析。研究结果表明：在缸盖最高温度不满足设计要求的情况下，缸体、缸盖的应力、变形也许仍能满足要求，因此，为确保发动机各方面均满足设计要求，需要从温度、应力、变形各方面分别进行评估。　　最后，针对缸盖鼻梁区温度较高的问题，根据上水孔分布对缸盖水套流场的影响规律，对缸垫上水孔分布进行了改进设计，使缸盖的最高温度从198.8℃下降到185.6℃，并就改进结构进行了变形和强度研究。结果表明：改进缸垫上水孔分布对改善水套的冷却非常有效，且改进后的发动机在温度、强度、变形方面均达到了设计要求。　　综上可知，本文通过依次对发动机的共轭换热研究、热应力研究及热-机耦合研究，有效地解决了发动机的多场耦合仿真问题，并及时发现和解决了发动机开发中的设计缺陷和不足，缩短了发动机的设计周期，加快了其开发进程，这不仅对发动机的设计开发具有一定的指导意义，同时也为发动机多场耦合研究提供了一种方法。
作者：	陈林
专业：	车辆工程
导师：	胡玉梅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文