某双燃料发动机的连杆CAE分析及优化设计

针对某型号天然气/柴油双燃料发动机,在其连杆的设计和开发过程中,运用ABAQUS和FEMFAT软件对连杆进行CAE分析,原设计连杆接触分析显示接触开度不满足安全要求。为此对连杆进行优化设计,优化后的连杆CAE分析表明:连杆杆身与大端接触面采用弧形设计能有效解决连杆接触开度问题,且优化后的连杆变形、接触应力及高周疲劳(high cycle fatigue,HCF)强度都在许用范围之内,满足设计安全需要。这一结论可为提高双燃料发动机的设计安全性提供有效的科学方法和可靠的理论依据,并为后续连杆装机验证提供有力的理论支撑。     

发动机零部件疲劳强度验证技术

为避免零部件的疲劳破坏而导致发动机失效,在结构设计阶段对零件的疲劳强度进行评价,结合发动机开发过程,对主要零部件疲劳强度的验证技术进行详细研究分析。通过对缸体、缸盖、曲轴、连杆等核心零部件的实例进行高周疲劳和低周疲劳的CAE仿真计算和台架及道路验证技术分析验证,全面深入的研究、分析疲劳失效的产生机理及验证技术,以便最大限度地降低发动机零部件产生疲劳破环的风险。     

发动机出水口金属垫片的密封设计分析

针对垫片原设计存在密封性能差的问题,提出2种垫片优化设计方案。采用计算机辅助工程(CAE)分析工具,对原设计和2种优化设计方案进行仿真分析。仿真分析时,考虑了零部件材料、接触等非线性因素,建立了包含缸盖、螺栓、调温器和金属垫片的有限元分析模型,同时考虑了螺栓力和不同温度对垫片密封性能的影响。然后对仿真结果进行比对分析,选取了改善效果明显,且成本增加较低的优化方案,并进行试验验证。     

基于流固耦合计算的柴油机缸盖热-机械疲劳分析研究

以一台重载车用柴油机为研究对象进行了缸内燃烧和冷却水套的三维CFD计算、缸盖温度场流固耦合计算、缸体-缸盖耦合热-机械应力分析、缸盖低周和高周疲劳预测分析,提出了完整的多场耦合进行缸盖结构强度和疲劳寿命计算分析的方法。计算结果表明:缸盖温度场的计算值与缸盖底板温度场的测量值一致,缸盖计算预测的疲劳危险区与实际缸盖裂纹产生的位置一致。针对原机存在的排气道裂纹问题,提出了两种优化方案。研究结果表明:增加壁厚之后,裂纹处的应力从245MPa降至230MPa,而将缸盖材料从灰铁更换为蠕铁后,应力也得到明显下降。     

基于热流量修正的发动机缸体缸盖温度场分析与测试

为了研究发动机缸体缸盖的温度场分布情况,基于双向流固耦合方法对某小排量汽油机进行温度场仿真分析,通过各位置热流量统计对比的方式计算出换热修正系数,再得出缸体缸盖温度场的仿真结果。将仿真结果与试验测试结果进行对比,缸盖测点最大误差率为4.9%,最小误差为0.1%;缸体测点最大误差率为4.2%,最小误差率为0.1%。说明通过修正换热边界得到的仿真结果与试验结果非常接近,可被应用于发动机缸体缸盖的开发领域。     

轿车发动机高强度连杆开发

采用计算机辅助设计(CAE)方法设计了轿车发动机用轻量化、高强度连杆;通过有限元计算分析,该连杆不存在失稳危险,并符合强度要求;用液压伺服疲劳试验系统进行疲劳试验,连杆安全系数满足设计要求;通过严格控制生产加工工艺,提高制造加工质量,实现了该连杆的批量生产.     

基于流固耦合方法排气歧管热机械疲劳分析

柴油机功率的不断提升,排气温度也相应升高,排气歧管须承受更高的热负荷,从而可能导致其热机械疲劳失效。在设计初期阶段可通过计算机辅助工程(CAE)分析工具执行一系列虚拟模型仿真验算以验证设计方案的可行性和潜在风险,而非花费高额成本和大量时间针对实际样品进行测试验证。采用瞬态传热计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析和实体壁面温度相映射的方法模拟排气流经排气歧管时流动分离情况,经CFD和有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)之间的耦合迭代后,根据热机械计算结果,即温度场、应力和塑性应变参数监测歧管结构设计缺陷,然后选择合适的材料属性和评估关键位置潜在开裂风险,最后依据各方案计算结果制造出排气歧管样件,在试验台架上进行整机耐久性测试,试验中未出现开裂失效,研究结果表明采用热机械疲劳分析方法可有效预测排气歧管疲劳潜在失效并为结构设计变更提供指导。     

某柴油机缸盖热负荷的流固耦合计算分析研究

分别建立了柴油机缸盖和冷却水道模型,在Workbench的环境下,运用CFD与FEA耦合计算的方法,对额定工况下的缸盖温度场进行计算分析。计算结果表明:缸盖的最高温度为602K;耦合计算的方法更符合柴油机的实际传热情况;在柴油机额定工况下,冷却水的冷却情况以及缸盖的最高温度符合要求。经硬度塞测试数据对比可知:仿真结果真实可信,可以为柴油机热负荷分析和柴油机改进设计提供理论指导和依据。     

柴油机连杆疲劳强度研究

本文通过CAE仿真分析与疲劳试验相结合的方法对某柴油机连杆疲劳特性进行了研究,根据柴油机连杆在工作状态下的受力状况,对其进行了拉压工况下的有限元计算,计算了连杆结构的应力分布特性,获得连杆结构中相对薄弱的疲劳区域;同时按照一定的强化要求对其进行拉压疲劳试验,分别获得大小头部位的载荷与疲劳寿命的关系,最后对连杆疲劳断裂部位进行断口分析。     

船用柴油机缸盖疲劳破坏有限元分析及改进

针对某船用大功率柴油机缸盖在液压平台试验中的疲劳破坏问题,建立了被试组件离散模型,并进行了结构疲劳强度有限元分析。分析表明:缸盖内部区域结构强度相对薄弱,进排气道圆角处出现应力集中,在承受交变载荷时应力幅过大,容易出现裂纹。结合仿真分析结果,提出了缸盖结构优化方案,并进行了疲劳试验。试验结果表明:改进方案有效提高了该型缸盖的疲劳强度。     

基于沸腾模型的内燃机缸盖多场耦合传热

通过车用天然气发动机,建立了包括冷却水腔内流动沸腾传热、气缸盖内固体导热及缸内进排气燃烧在内的多场耦合仿真系统.采用直接耦合算法进行气缸盖固体区域与冷却水腔流体区域流固耦合仿真,采用顺序映射的方式进行缸内燃气区域与流固区域多场耦合仿真.通过CFD软件中UDF功能嵌入合适的单相沸腾传热模型对缸盖水腔内传热进行分析计算,并在此基础上结合试验测量结果,对比分析发动机在不同冷却水温度与不同冷却系统压力下缸盖温度场变化趋势.研究表明:多场耦合仿真系统可以解决缸盖传热边界不易给定的难题,能够更真实准确地描述出缸盖复杂传热过程,且考虑沸腾传热因素后有助于提高在不同冷却条件下缸盖热关键区域温度场的计算精度.     

某中速柴油机冷却液流动及流固耦合传热计算分析

为获得直观的流场和温度场数据,对某16缸中速柴油机建立了完整的冷却水三维模型,采用FLUENT流体计算软件对其进行了绝热CFD计算分析,得到了冷却水流速、压力等数据。考虑到各缸冷却水套为并列排布方式,各缸之间相对独立,建立了单缸的缸盖-缸套-冷却水耦合传热模型,对其进行了缸盖-缸套-冷却水耦合传热仿真,获得了各部件比较精确直观的温度场分布。结果表明:仿真结果与实测数据吻合较好,从而为柴油机冷却水套的优化设计提供了依据。     

铸铁缸盖热疲劳寿命试验及高温蠕变修正

铸铁缸盖鼻梁区的热疲劳断裂是机车柴油机最常见的故障。本文多个机车16V240柴油机缸盖进行了加速低循环热疲劳试验，在试验中考虑了高循环热疲劳的影响；并利用线形损伤累积理论及蠕变的特点，对高温蠕变的影响进行了计算修正；预估了该缸盖的使用寿命，并对实验及计算结果进行了分析。     

基于高周疲劳评估技术的某气缸盖改进设计研究

我们针对机械疲劳考核中出现的气缸盖开裂问题,运用疲劳试验及仿真评估技术,对缸盖失效位置进行疲劳强度评价,研究结构改进设计和材料性能强化对疲劳安全系数的影响。最终提出满足设计要求的改进方案,并顺利通过机械疲劳试验考核。     

发动机冷却水套设计及改进

针对某发动机设计了冷却水套并运用三维数值仿真技术对该水套冷却性能进行仿真分析发现,缸盖排气侧高温区的流场分布极不均匀,冷却液未能实现对缸体的完全绕流冷却,缸体水套存在局部低流速区。进一步分析发现,分水孔对流场分布具有很大的影响,并据此修改分水孔方案。仿真结果表明:改进方案缸盖高温区流场分布比较均匀,冷却液也实现了对缸体的完全绕流冷却,消除了原水套中的低流速区,高温区局部平均流速1.7 m/s,传热系数12 000 W/(m~2·K),水套平均流速大于0.5 m/s,冷却性能得到了改善。最后分析了金属纳米流体的强化换热效果,结果表明:浓度5%的铜水纳米流体局部传热系数比纯水提高了41%,效果明显的同时所需泵功也有所增加。     

缸盖水套开裂分析及优化

针对某型增压柴油机缸盖水套开裂问题,通过断口、能谱、金相分析以及常规机械性能测试,结合失效区域的工作条件,得出疲劳开裂为热负荷与机械负荷共同作用导致的结论。在此基础上提出了改善水套流量分布,增加楔形加强筋的改进方案。有限元分析表明:改进后的缸盖疲劳安全系数提高了10%。优化后的缸盖已成功应用于该型国四、国五发动机上。     

基于有限元分析的发动机缸盖温度场模拟分析

为获得某天然气发动机比较精确的缸盖温度场,采用边界单向映射的方法将获得的冷却水侧和燃气侧的热边界映射至缸盖固体网格上,根据经验通过赋予机油侧和外围边界处的热边界,建立缸盖计算的有限元模型.对模型进行传热计算,获得该天然气发动机缸盖的最终温度场结果,将计算结果同发动机试验结果对比,最大误差为9.3％,满足工程要求.通过水套CFD分析和缸内流动燃烧分析能较准确地得到缸盖温度场分布,为后续缸盖强度及热疲劳分析提供有效热载荷.     

天然气发动机活塞温度场仿真计算与测试分析

借助ANSYS有限元分析软件对新开发的天然气发动机的活塞进行额定工况点的温度场仿真计算,得到活塞此工况点的温度场分布和疲劳安全系数。同时利用硬度塞法对活塞在整个工作过程中的温度场进行测试分析,验证仿真计算结果的可靠性。仿真计算结果表明,活塞最高温度为316.4℃,位于燃烧室顶部,疲劳安全系数大于1。设计的活塞满足天然气发动机的工作要求。     

一款扩行程柴油机设计开发

介绍了一款扩行程柴油机的设计开发,其中重点介绍了缸盖垫片密封、曲柄连杆机构、冷却系统、润滑系统的改进设计。开发过程中采用CAE分析及试验手段验证了设计开发是合理的、可靠的。     

基于ABAQUS的发动机缸盖工装强度分析

分析计算某型号发动机缸盖及工装的应力与局部位移,基于HyperMesh软件建立缸盖及工装的仿真模型,使用ABAQUS软件进行静力学计算,对处于夹紧状态下的发动机缸盖进行4个典型工位的加工工况分析计算,得出工件加工位置最大位移与工装所受最大应力。通过强度和位移校核,最终结果满足缸盖的加工需求,为工艺制定提供了有效的数据支持。