大功率內(nèi)燃機車柴油機氣缸蓋熱結構耦合應力分析

劉鑫 張永恒 王良璧

摘要：16V240機車柴油機氣缸蓋結構復雜，內(nèi)部布置有冷卻水腔和進排氣氣道，為研究氣缸蓋在高溫、高壓燃氣、冷卻水作用下氣缸蓋的強度，通過SolidWorks建立了柴油機氣缸蓋三維幾何模型，利用Fluent進行了流固耦合傳熱計算分析，并以氣缸蓋溫度場為輸入載荷，進一步應用ANSYS Workbench平臺分析了氣缸蓋的應力。通過分析得出氣缸蓋溫度、應力云圖。通過數(shù)值分析得出，氣缸蓋在多種物理場的作用下，承受較大負荷的區(qū)域出現(xiàn)在氣缸蓋的火力面。對比不同載荷下的應力云圖，得出氣缸蓋主要受熱應力的影響。

Abstract： The cylinder head of the 16V240 locomotive diesel engine has a complex structure， with cooling water chambers and intake and exhaust ducts arranged inside. In order to study the strength of the cylinder head under the action of high temperature， high pressure gas and cooling water， a three-dimensional diesel engine cylinder head was established through SolidWorks The geometric model is calculated and analyzed by fluid-structure coupling heat transfer using Fluent， and the cylinder head temperature field is used as the input load. The ANSYS Workbench platform is further used to analyze the stress of the cylinder head. Through analysis， the cylinder head temperature and stress cloud diagrams are obtained. Through numerical analysis， it is concluded that under the action of various physical fields， the area of the cylinder head that bears a larger load appears on the fire surface of the cylinder head. Comparing the stress cloud diagrams under different loads， it is concluded that the cylinder head is mainly affected by thermal stress.

關鍵詞：柴油機氣缸蓋;溫度場;應力場;耦合分析

Key words： diesel engine cylinder head;temperature field;stress field;coupling analysis

中圖分類號：TK422? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0073-05

0? 引言

柴油機氣缸蓋與活塞頂部、氣缸壁構成燃燒室，并承擔密封氣缸的作用，內(nèi)部布置有冷卻水腔和進排氣氣道。氣缸蓋的底部是火力面，直接接觸高溫高壓燃氣，內(nèi)部不規(guī)則型腔眾多[1]。在柴油機的工作過程中氣缸蓋承受著較大的機械載荷（螺栓預緊力和缸內(nèi)爆發(fā)壓力）和高溫燃氣產(chǎn)生的對氣缸蓋較大的熱負荷，機械應力和熱應力狀態(tài)十分復雜，工作環(huán)境極其惡劣。魏丹[2]等人采用了流固耦合方法對缸蓋溫度場分析，得到柴油機氣缸蓋的溫度場分布，運用這種方法可以將氣缸蓋傳熱由瞬態(tài)過程轉換成穩(wěn)態(tài)過程。方強[3]等人通過AVL-Fire對國V柴油機缸蓋內(nèi)工作過程和冷卻水套進行了三維數(shù)值分析，獲得燃燒傳熱和冷卻水套傳熱邊界條件。肖翀[4]等人應用數(shù)值模擬方法實現(xiàn)了柴油機缸蓋大型復雜結構的流固耦合的傳熱分析，得到了流場、固體溫度場和流固交界面對流換熱系數(shù)的大小和分布。氣缸蓋冷卻水腔壁面換熱邊界的獲取和施加十分困難，以往多是通過參考相關機型，采用經(jīng)驗或半經(jīng)驗的方法獲得，但準確性難以保證。司東亞，駱清國[5]通過流固耦合分析獲取冷卻水腔壁面的換熱系數(shù)和溫度，然后將其作為外邊界導入到 Transient Thermal Analysis 模塊中，為邊界條件的數(shù)值選擇提供了新的方法。H. Vafadar[6]等人以某發(fā)動機缸蓋為研究對象，創(chuàng)建缸蓋和水腔耦合模型，計算了不同轉速工況下的缸蓋應力場分布情況。M H shojaefard[7]等人考慮了熱邊界條件對發(fā)動機氣缸蓋的工作影響，進行了熱機耦合分析，最后將實驗數(shù)據(jù)與仿真結果進行了對比，為優(yōu)化氣缸蓋的結構提供了可靠性方案。Gholinia[8]等采用計算流體動力學（CFD）求解結構和流體，得到了壁面溫度和熱流密度和柴油機冷卻套內(nèi)的換熱系數(shù)分布，最大值發(fā)生在火花塞附近。

本文在進行氣缸蓋的三維模型仿真計算時，從熱學和力學角度出發(fā)，以柴油機氣缸蓋的三維模型為研究對象，包括對進排氣裝置，冷卻水裝置，氣缸蓋固體裝置的綜合研究，在目前研究人員普遍使用的高級CAE工具ANSYS中進行仿真計算，綜合考慮柴油機氣缸蓋溫度場，螺栓預緊力以及缸內(nèi)爆發(fā)壓力等多種因素的影響下，進行柴油機氣缸蓋整體的應力分析，對氣缸蓋的結構進行評定。

1? 物理模型

16V240柴油機具有六角形的承載面，底部中央具有深5mm，直徑為273mm的內(nèi)凹平面，進、排氣道采取壁面下彎、截面漸縮的曲面。在火力面的周圍均布有6個螺栓孔和12個進水孔。螺栓孔壁的厚度呈倒錐形，并削去下部的局部孔壁。進水孔均布在火力面周圍，其直徑為10 mm。氣缸蓋模型如圖1所示，忽略較小的倒角、圓角、小凸臺以及在計算中并不參與分析的螺栓孔等，建立符合要求的柴油機氣缸蓋三維模型。

2? 控制方程及邊界條件

2.1 控制方程

對于不可壓縮流體的流動來說，其流體的流動遵守三大定律連續(xù)性方程、動量守恒定律和能量守恒定律。

連續(xù)性方程： （1）

動量守恒定律：

（2）

能量守恒定律：

（3）

螺栓預緊力的計算公式： （4）

上式中，？籽是流體微元體上的壓力？子xx、？子yx、？子zx等是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應力？子的分量。ST為粘性耗散項。F代表螺栓預緊力，T代表加在螺栓上的力矩，D代表預緊力系數(shù)。

2.2 流固耦合分析網(wǎng)格劃分及邊界條件

對氣缸蓋進行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格，之后對氣缸蓋火力面及流固耦合交界界面等重點研究位置進行網(wǎng)格加密。氣缸蓋的有限元模型的網(wǎng)格數(shù)量1663526，最大面網(wǎng)格設定8mm，最大網(wǎng)格設定10mm。氣缸蓋的整體網(wǎng)格模型，冷卻水流體域網(wǎng)格模型，氣缸蓋的煙氣，空氣網(wǎng)格模型如圖2所示。

流固耦合的邊界條件由流體域邊界條件和固體域邊界條件共同組成。柴油機氣缸蓋的流動與傳熱是一個瞬態(tài)的過程，利用穩(wěn)態(tài)的邊界條件下的流固耦合傳熱方法可以有效模擬柴油機氣缸蓋的流動與傳熱，其仿真結果與實際測量硬度塞法結果誤差在允許范圍內(nèi)[2]。故本文選取穩(wěn)態(tài)條件下的熱邊界條件進行分析。為了得到缸蓋的穩(wěn)態(tài)溫度場，采用平均對流換熱系數(shù)和平均燃氣溫度作為第三類邊界條件，對缸內(nèi)燃氣溫度和對流換熱系數(shù)分別取加權平均[9]。在進行冷卻水流場分析時，入口的流體邊界條件設定為質量流量入口：水的質量流量30m3/h，入口溫度343K。出口定為壓力邊界條件出口。表1為最終的邊界條件。

2.3 結構分析網(wǎng)格劃分及邊界條件

在進行靜力分析加載機械載荷時，需要對氣缸蓋模型重新劃分網(wǎng)格，把網(wǎng)格單元轉化為結構單元，轉化后的結構單元有限元模型如圖3所示，為了便于仿真，建立模型時對氣缸蓋的清砂孔、氣門座圈、缸蓋墊片等做了適當?shù)暮喕?，配氣機構作用力，氣門蓋罩作用力以及進排氣道的作用力都忽略不計。在仿真計算氣缸蓋的機械應力而施加機械載荷時僅考慮緊固螺栓的螺栓預緊力和氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力。取16V240柴油機缸內(nèi)爆發(fā)壓力為13.6MPa。在氣缸蓋上有六個等效螺栓，每個螺栓的螺栓預緊力為123.35kN。

3? 結果分析

3.1 氣缸蓋熱應力分析

3.1.1 氣缸蓋的冷卻水流動分析

通過氣缸蓋的速度矢量圖4可以看出，冷卻水在流動過程中最大流速處為9m/s，其他部分流速也在10m/s之內(nèi)，冷卻水冷卻效果較好，氣缸蓋內(nèi)冷卻水的流動由上到下速度逐漸加快，冷卻水的流向經(jīng)上水孔流向氣缸蓋上冷卻水腔，再經(jīng)過隔板流向下冷卻水腔，最后在氣道下方的出水孔流出，從而帶走氣缸蓋的熱量。

3.1.2 氣缸蓋溫度場分析

圖5顯示，在氣缸蓋火力面進排氣門之間的區(qū)域由于缸內(nèi)溫度較高，附近溫度呈現(xiàn)梯度分布。而火力面受到強烈的外界條件，溫度變化劇烈。故氣缸蓋最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在噴油器座孔與氣門閥座之間的鼻梁區(qū)，溫度在冷卻后可以達到403K，未冷卻之前可以達到700K。

從進排氣道的溫度場分布圖6來看，進氣道溫度在某一截面呈現(xiàn)明顯的溫度分區(qū)，這是由于本身氣缸蓋火力面溫度特別高，且冷卻水在流動過程中在此區(qū)域的流動速度較小從而出現(xiàn)的[8]，對比進排氣道的溫度場分布可以發(fā)現(xiàn)，排氣道的溫度要明顯高于進氣道的，這是因為排氣道里面的廢氣溫度較高，對排氣道進行了二次加熱造成的。

3.1.3 氣缸蓋熱應力分析

在分析氣缸蓋熱應力時，為了更容易得到熱應力場，忽略對氣缸蓋的燃氣爆發(fā)壓力、螺栓預緊力等機械負荷的影響，僅考慮單純的溫度應力[7-13]。氣缸蓋上各處熱應力分布不均如圖7所示。最大熱應力處在氣缸蓋鼻梁區(qū)，最大熱應力達到165.34MPa。鼻梁區(qū)冷卻水流動速度較大，換熱系數(shù)較大，故該處溫度分布不均，溫度梯度很大。由于鼻梁區(qū)熱應力較大，而且此處由于有氣道存在結構較薄，故此處極其容易斷裂。

3.2 氣缸蓋的機械應力分析

3.2.1 氣缸蓋的機械載荷及約束

計算出所需要加載的機械載荷數(shù)值后，在ANSYS軟件的Static Structural平臺的Mechanical中把機械載荷加載在氣缸蓋的有限元模型上，機械載荷加載如圖8所示。

3.2.2 氣缸蓋機械應力計算結果分析

從氣缸蓋因機械應力產(chǎn)生的變形云圖如圖9所示，從云圖中可以看出，氣缸蓋機械盈利所導致的變形量極其微小，最大處僅達到0.097mm，相對于氣缸蓋的寬度225mm來說，數(shù)量級很小，所以在結構設計時，氣缸蓋因機械應力產(chǎn)生的變形可以忽略不計。

3.3 氣缸蓋內(nèi)熱機耦合結果分析

從熱機耦合應力云圖10來看，與單獨分析氣缸蓋熱應力和機械應力時結果沒有很大差別，基本吻合。最大應力還是出現(xiàn)在噴油器座孔與氣門閥座之間的鼻梁區(qū)。最大應力值233.73MPa。在氣缸蓋的螺栓孔附近也會出現(xiàn)應力集中，其主要原因是由于缸內(nèi)爆發(fā)壓力的作用，應力值大小為110MPa左右。

因此可以得出結論，在考慮熱機耦合作用時，氣缸蓋內(nèi)部的應力分布與氣缸蓋的熱應力分布基本相吻合。且最大應力值沒有超過材料的極限應力。這也就說明氣缸蓋疲勞破壞失效的主要原因是由于內(nèi)部產(chǎn)生的熱應力導致。

3.4 氣缸蓋的結構優(yōu)化

降低熱應力和機械應力的措施應從以下幾個方面著手：①增大進排氣氣門之間的間距，應大于12mm，最好在19mm左右，盡可能縮短進排氣道，同時進排氣道設計成高而窄的結構，可以氣缸蓋散熱的散熱效果更好，使發(fā)動機更容易在正常工作溫度下進行工作。②增大氣缸蓋火力面和上下冷卻水腔隔板厚度，隔板厚度適當增加，以加強氣缸蓋的強度。③應盡量提高熱負荷較大區(qū)域的換熱系數(shù)和適當增大這些區(qū)域結構的厚度，并減小與氣缸蓋其他部位的溫差，從而減小溫度梯度，進一步降低氣缸蓋工作時產(chǎn)生的熱應力，增加氣缸蓋的抗熱疲勞強度，進而使氣缸蓋的使用壽命和可靠性大大增加。

4? 結論

以16V240柴油機氣缸蓋為例對大功率內(nèi)燃機車氣缸蓋進行了應力分析。耦合系統(tǒng)包含氣缸蓋缸體，冷卻水腔和進排氣氣道。在Fluent中設置求解條件后求解得到溫度場及進行流固耦合分析。之后把缸蓋溫度場作為載荷并施加相應機械載荷條件在Ansys Static Structural進行熱機耦合計算得到應力場。論文結果可總結如下：

①對仿真計算得到的穩(wěn)態(tài)溫度場云圖分析可得，氣缸蓋的最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在火力面噴油器座孔與進排氣道氣門閥座之間的鼻梁區(qū)，最高溫度大約為526K，此區(qū)域溫度梯度較大的原因主要是由于缸內(nèi)爆發(fā)壓力直接作用的結果。②排氣道廢氣溫度高于進氣道空氣溫度，廢氣會對排氣道進行加熱，所以排氣道溫度要高于進氣道溫度。③對氣缸蓋在實際工作條件下的熱機耦合應力進行了分析，得到氣缸蓋在熱機耦合作用下最大應力區(qū)域分布在火力面上的鼻梁區(qū);此外，由于缸內(nèi)爆發(fā)壓力的直接作用在六個螺栓孔上，氣缸蓋螺栓孔附近也有較大的應力集中。④從整體來看，氣缸蓋的熱機耦合應力主要是熱應力。⑤應以降低熱應力為主要方向提高氣缸蓋的抗疲勞強度和使用壽命。在結構方面應在允許的情況下選擇材料強度更好的材料和加厚氣缸蓋的底板以及增大兩氣門之間的間距，從而降低所受熱應力。

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