劉鑫 張永恒 王良璧

摘要：16V240機(jī)車柴油機(jī)氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部布置有冷卻水腔和進(jìn)排氣氣道，為研究氣缸蓋在高溫、高壓燃?xì)狻⒗鋮s水作用下氣缸蓋的強(qiáng)度，通過SolidWorks建立了柴油機(jī)氣缸蓋三維幾何模型，利用Fluent進(jìn)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(jìn)一步應(yīng)用ANSYS Workbench平臺分析了氣缸蓋的應(yīng)力。通過分析得出氣缸蓋溫度、應(yīng)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(fù)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(yīng)力云圖，得出氣缸蓋主要受熱應(yīng)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(guān)鍵詞：柴油機(jī)氣缸蓋;溫度場;應(yīng)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(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0073-05

0? 引言

柴油機(jī)氣缸蓋與活塞頂部、氣缸壁構(gòu)成燃燒室，并承擔(dān)密封氣缸的作用，內(nèi)部布置有冷卻水腔和進(jìn)排氣氣道。氣缸蓋的底部是火力面，直接接觸高溫高壓燃?xì)猓瑑?nèi)部不規(guī)則型腔眾多[1]。在柴油機(jī)的工作過程中氣缸蓋承受著較大的機(jī)械載荷（螺栓預(yù)緊力和缸內(nèi)爆發(fā)壓力）和高溫燃?xì)猱a(chǎn)生的對氣缸蓋較大的熱負(fù)荷，機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)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(jī)氣缸蓋的溫度場分布，運(yùn)用這種方法可以將氣缸蓋傳熱由瞬態(tài)過程轉(zhuǎn)換成穩(wěn)態(tài)過程。方強(qiáng)[3]等人通過AVL-Fire對國V柴油機(jī)缸蓋內(nèi)工作過程和冷卻水套進(jìn)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(yīng)用數(shù)值模擬方法實現(xiàn)了柴油機(jī)缸蓋大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(guān)機(jī)型，采用經(jīng)驗或半經(jīng)驗的方法獲得，但準(zhǔn)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(dǎo)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(jī)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(zhuǎn)速工況下的缸蓋應(yīng)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(jī)氣缸蓋的工作影響，進(jìn)行了熱機(jī)耦合分析，最后將實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，為優(yōu)化氣缸蓋的結(jié)構(gòu)提供了可靠性方案。Gholinia[8]等采用計算流體動力學(xué)（CFD）求解結(jié)構(gòu)和流體，得到了壁面溫度和熱流密度和柴油機(jī)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(jìn)行氣缸蓋的三維模型仿真計算時，從熱學(xué)和力學(xué)角度出發(fā)，以柴油機(jī)氣缸蓋的三維模型為研究對象，包括對進(jìn)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(jìn)行仿真計算，綜合考慮柴油機(jī)氣缸蓋溫度場，螺栓預(yù)緊力以及缸內(nèi)爆發(fā)壓力等多種因素的影響下，進(jìn)行柴油機(jī)氣缸蓋整體的應(yīng)力分析，對氣缸蓋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評定。

1? 物理模型

16V240柴油機(jī)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(jìn)、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(jìn)水孔。螺栓孔壁的厚度呈倒錐形，并削去下部的局部孔壁。進(jìn)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(jī)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(yù)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(yīng)力？子的分量。ST為粘性耗散項。F代表螺栓預(yù)緊力，T代表加在螺栓上的力矩，D代表預(yù)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(jìn)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(diǎn)研究位置進(jìn)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(shè)定8mm，最大網(wǎng)格設(shè)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(jī)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(jī)氣缸蓋的流動與傳熱，其仿真結(jié)果與實際測量硬度塞法結(jié)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(jìn)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?xì)鉁囟茸鳛榈谌愡吔鐥l件，對缸內(nèi)燃?xì)鉁囟群蛯α鲹Q熱系數(shù)分別取加權(quán)平均[9]。在進(jìn)行冷卻水流場分析時，入口的流體邊界條件設(shè)定為質(zhì)量流量入口：水的質(zhì)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(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格劃分及邊界條件

在進(jìn)行靜力分析加載機(jī)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(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，轉(zhuǎn)化后的結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)暮喕?，配氣機(jī)構(gòu)作用力，氣門蓋罩作用力以及進(jìn)排氣道的作用力都忽略不計。在仿真計算氣缸蓋的機(jī)械應(yīng)力而施加機(jī)械載荷時僅考慮緊固螺栓的螺栓預(yù)緊力和氣缸內(nèi)爆發(fā)壓力。取16V240柴油機(jī)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(yù)緊力為123.35kN。

3? 結(jié)果分析

3.1 氣缸蓋熱應(yīng)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(jìn)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(qiáng)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(dá)到403K，未冷卻之前可以達(dá)到700K。

從進(jìn)排氣道的溫度場分布圖6來看，進(jìn)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(jìn)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(jìn)氣道的，這是因為排氣道里面的廢氣溫度較高，對排氣道進(jìn)行了二次加熱造成的。

3.1.3 氣缸蓋熱應(yīng)力分析

在分析氣缸蓋熱應(yīng)力時，為了更容易得到熱應(yīng)力場，忽略對氣缸蓋的燃?xì)獗l(fā)壓力、螺栓預(yù)緊力等機(jī)械負(fù)荷的影響，僅考慮單純的溫度應(yīng)力[7-13]。氣缸蓋上各處熱應(yīng)力分布不均如圖7所示。最大熱應(yīng)力處在氣缸蓋鼻梁區(qū)，最大熱應(yīng)力達(dá)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(yīng)力較大，而且此處由于有氣道存在結(jié)構(gòu)較薄，故此處極其容易斷裂。

3.2 氣缸蓋的機(jī)械應(yīng)力分析

3.2.1 氣缸蓋的機(jī)械載荷及約束

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

3.2.2 氣缸蓋機(jī)械應(yīng)力計算結(jié)果分析

從氣缸蓋因機(jī)械應(yīng)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(jī)械盈利所導(dǎo)致的變形量極其微小，最大處僅達(dá)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(jié)構(gòu)設(shè)計時，氣缸蓋因機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的變形可以忽略不計。

3.3 氣缸蓋內(nèi)熱機(jī)耦合結(jié)果分析

從熱機(jī)耦合應(yīng)力云圖10來看，與單獨(dú)分析氣缸蓋熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力時結(jié)果沒有很大差別，基本吻合。最大應(yīng)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(yīng)力值233.73MPa。在氣缸蓋的螺栓孔附近也會出現(xiàn)應(yīng)力集中，其主要原因是由于缸內(nèi)爆發(fā)壓力的作用，應(yīng)力值大小為110MPa左右。

因此可以得出結(jié)論，在考慮熱機(jī)耦合作用時，氣缸蓋內(nèi)部的應(yīng)力分布與氣缸蓋的熱應(yīng)力分布基本相吻合。且最大應(yīng)力值沒有超過材料的極限應(yīng)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(yīng)力導(dǎo)致。

3.4 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

降低熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的措施應(yīng)從以下幾個方面著手：①增大進(jìn)排氣氣門之間的間距，應(yīng)大于12mm，最好在19mm左右，盡可能縮短進(jìn)排氣道，同時進(jìn)排氣道設(shè)計成高而窄的結(jié)構(gòu)，可以氣缸蓋散熱的散熱效果更好，使發(fā)動機(jī)更容易在正常工作溫度下進(jìn)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(dāng)增加，以加強(qiáng)氣缸蓋的強(qiáng)度。③應(yīng)盡量提高熱負(fù)荷較大區(qū)域的換熱系數(shù)和適當(dāng)增大這些區(qū)域結(jié)構(gòu)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(jìn)一步降低氣缸蓋工作時產(chǎn)生的熱應(yīng)力，增加氣缸蓋的抗熱疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而使氣缸蓋的使用壽命和可靠性大大增加。

4? 結(jié)論

以16V240柴油機(jī)氣缸蓋為例對大功率內(nèi)燃機(jī)車氣缸蓋進(jìn)行了應(yīng)力分析。耦合系統(tǒng)包含氣缸蓋缸體，冷卻水腔和進(jìn)排氣氣道。在Fluent中設(shè)置求解條件后求解得到溫度場及進(jìn)行流固耦合分析。之后把缸蓋溫度場作為載荷并施加相應(yīng)機(jī)械載荷條件在Ansys Static Structural進(jìn)行熱機(jī)耦合計算得到應(yīng)力場。論文結(jié)果可總結(jié)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(jìn)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(jié)果。②排氣道廢氣溫度高于進(jìn)氣道空氣溫度，廢氣會對排氣道進(jìn)行加熱，所以排氣道溫度要高于進(jìn)氣道溫度。③對氣缸蓋在實際工作條件下的熱機(jī)耦合應(yīng)力進(jìn)行了分析，得到氣缸蓋在熱機(jī)耦合作用下最大應(yīng)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(yīng)力集中。④從整體來看，氣缸蓋的熱機(jī)耦合應(yīng)力主要是熱應(yīng)力。⑤應(yīng)以降低熱應(yīng)力為主要方向提高氣缸蓋的抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命。在結(jié)構(gòu)方面應(yīng)在允許的情況下選擇材料強(qiáng)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(yīng)力。

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