發動機熱—流—固多場耦合仿真研究.pdf

1、發動機作為一種動力裝置，已廣泛的應用于汽車、船舶、航空等各大行業，在國民經濟中有著非常重要的作用。在發動機的工作過程中，其各個部件不僅受到熱負荷的作用，同時也受到機械載荷的作用，在這些載荷的耦合作用下，如果設計不合理，將引起發動機的熱故障和強度問題，這不僅導致發動機功率下降，壽命嚴重縮短，甚至迫使發動機無法工作。
　　對缸體、缸蓋、缸套等主要部件進行熱-流-固多場耦合仿真分析，可以得到比較詳盡的水套流場分布，缸體、缸蓋溫度場分布；

2、熱負荷、熱-機械載荷作用下的應力分布和變形情況，這將有助于及時發現發動機熱負荷及強度方面的問題與不足。但是，發動機的熱-流-固多場耦合仿真分析涉及到傳熱學、熱力學、流體力學、固體力學以及材料力學等多學科知識，且各零部件的結構非常的復雜，如何將發動機各個部件、各物理場相互耦合起來，以及如何解決耦合研究中溫度邊界的導入、控制瞬態分析求解時間、避免求解發散是其中需要解決的關鍵難點問題。本文以正在開發中的某款發動機為研究對象，基于有限元法，對上

3、述問題進行了較深入的研究，并建立了發動機的換熱研究模型，并以該換熱研究得到的溫度場為熱負荷，對發動機耦合強度進行了研究。本文主要研究內容及結論如下：
　　首先，為了得到研究中所需要的網格模型及邊界條件，在保證仿真結果準確、計算速度快的基礎上，對缸體、缸蓋、水套等結構的幾何模型進行清理，建立各網格模型；并根據熱力學知識、氣缸內部換熱經驗公式計算了各壁面的換熱邊界條件；同時對曲柄連桿機構進行受力分析，計算得到了熱-機耦合瞬態分析所需的

4、活塞側擊力、活塞位移等機械載荷。
　　其次，建立了缸體-缸蓋-水套組成的發動機共軛換熱有限元模型，進行換熱分析，并對仿真結果從流場、溫度場進行了研究；同時導出了適合發動機耦合強度分析的缸體、缸蓋溫度邊界。結果顯示：缸蓋上的最高溫為198.8℃，非常接近材料易于發生蠕變及熱疲勞的極限溫度，需要對水套進行改進設計。
　　再次，通過Matlab編程，合理設置材料導熱系數、阻尼和約束的方法，在有效解決邊界條件導入、求解時間長、求解不

5、收斂難題的基礎上，實現了缸體-缸蓋-缸套等組件的熱應力準靜態分析、及缸體-缸蓋-缸套-活塞等組件的熱-機耦合瞬態分析。研究結果表明：在缸蓋最高溫度不滿足設計要求的情況下，缸體、缸蓋的應力、變形也許仍能滿足要求，因此，為確保發動機各方面均滿足設計要求，需要從溫度、應力、變形各方面分別進行評估。
　　最后，針對缸蓋鼻梁區溫度較高的問題，根據上水孔分布對缸蓋水套流場的影響規律，對缸墊上水孔分布進行了改進設計，使缸蓋的最高溫度從198.8

6、℃下降到185.6℃，并就改進結構進行了變形和強度研究。結果表明：改進缸墊上水孔分布對改善水套的冷卻非常有效，且改進后的發動機在溫度、強度、變形方面均達到了設計要求。
　　綜上可知，本文通過依次對發動機的共軛換熱研究、熱應力研究及熱-機耦合研究，有效地解決了發動機的多場耦合仿真問題，并及時發現和解決了發動機開發中的設計缺陷和不足，縮短了發動機的設計周期，加快了其開發進程，這不僅對發動機的設計開發具有一定的指導意義，同時也為發動機多