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第

论文所属行业：船舶[c1]

柴油机缸盖有限元分析

摘要：本文利用ABAQUS软件把对流热边界耦合至固体传热计算中，得到了柴油机缸盖的

温度场。并在此基础上，进行了预紧力、爆发压力-热应力两种工况下的数值模拟。确定了各

影响因素在缸盖上造成应力集中的主要位置，为结构设计及改进提供了理论依据。

关键词：缸盖；热-固耦合；柴油机；

中图分类号：TK422文献标志码：B

FiniteElementAnalysisforCylinderHeadofDieselEngine

Abstract:Theconvectionthermalboundaryconditionsarecoupledtothecalculationprocessofthesolid

heatconductionwithABAQUS,thetemperaturefieldofcylinderheadissimulated.Furthermore,two

differentworkingconditionsaboutpretension,gaspressure-thermalstressaresimulated.Thecalculated

resultsarehelpfultofindtheplaceswherefailuresmighthappen,andprovidethetheoryinformationfor

improvingstructuredesign.

Keywords:cylinderhead;thermal-solidcoupled;dieselengine

0引言

气缸盖与缸套、活塞构成燃烧室空间。在气计改进提供了依据。

缸盖内一般有进排气道、冷却水腔、起动阀、安

全阀和燃烧室，并装有配气机构和喷油器等零部

1模型建立与网格划分

件。在柴油机工作过程中，缸盖承受很高的交变本文取一个缸，如图1所示。模型包含了缸

机械负荷与热负荷，是柴油机工作条件最为恶劣盖、缸套、垫片、刮油环、水套、机架（取部分

的零部件之一。同时，缸盖和缸套也是水冷式内结构）、喷油器组件、起动空气阀组件、进排气阀

燃机中重要的散热部件，其冷却水套内冷却液的和进排气阀座。对于起动空气阀和进、排气阀只

流动和传热状况直接影响缸盖的使用寿命和可靠参与热分析计算，只关心阀与阀座和缸盖的传热

性[1]。因此正确分析缸盖的温度场和应力场是缸

效果，不参与与机械负荷耦合在一起的应力计算。

盖结构设计的依据，利用有限元的方法大大缩短模型的建立是进行数值模拟的一个重要前

了缸盖设计周期。提。由于气缸盖的结构非常复杂，且与之相关的

本文以柴油机缸盖为例,用有限元方法计算零部件又较多。因此，在保证计算结果的前提下，

了缸盖的温度场、预紧工况机械应力、预紧力-对相关零部件和缸盖结构中一些细小部分进行适

热耦合应力和预紧力-爆发-热耦合应力，并分析当的简化。

各个不同工况对缸盖结构强度的影响，为结构设如图1所示，模型采用精度较高的四面体二

收稿日期：2013-08-08

作者简介：

计算机辅助工程2013年

次单元，对于螺栓和垫片采用六面体网格，并保

证各个接触面节点一致。完整的有限元模型共有

1142469个节点，683711个单元。

图2.缸盖底部和刮油环上部施加的气体力

图1有限元模型图3.缸套和刮油环的内表面施加的气体力

2边界条件

对于进气阀座、排气阀座和起动空气阀座上

所施加的气体压力是由竖直方向上的爆压

缸盖热边界条件采用传热第三类边界条件，P=250bar根据阀座的角度分解成法线上的力。

也就是设定边界的换热系数α及环境温度T。

其中冷却水侧和燃烧室内的温度和换热系数

都是通过CFD计算后，把热边界映射到有限元面

网格，得到有限元软件可以读取的文件。

对于进、排气通道和进、排气阀则施加恒定

的温度和换热系数值，该数值是根据经验选定。

本文进气通道和进气阀施加的气体温度设定为

Tin=80℃，换热系数αin=200W/m

2K；排气通道和

排气阀施加的气体温度设定为Texh=500℃，换热

系数αexh=400W/m2K。

2K。

在预紧工况下，除了要考虑缸盖螺栓预紧力

图4.阀座上的气体力

3计算结果分析

对之的影响，还需考虑喷油器夹具螺栓、起动空

3.1温度场

气夹具螺栓和压力传感器夹具螺栓的预紧力。为

了精确地对缸盖进行应力分析，在施加边界条件

时还需定义缸盖与相关零部件接触时的过盈量和

间隙。

在爆发-热耦合应