第6期 2017年6月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)06012604
DOI: 10. 13462/j. cenki. mmtamt. 2017. 06. 032
基于热机耦合的气缸盖结构优化设计
张敏，张翼，张钦修
（中北大学机械与动力工程学院，太原
030051)
No.6 Jun.2017
摘要：发动机缸盖的结构对其工作可靠性有很大的影响，为提高缸盖的强度，首先建立了缸盖的三维模型，然后基于热机揭合原理分析了该缸盖结构的温度场与应力场，随后采用数值分析的正交实验法，构建了6因素5水平的正交实验表，通过极差分析方法中的综合平衡法得到缸盖关键部位尺寸的最优组合，最后对最优尺寸缸体结构进行了有限元仿真，结采表明，优化尺寸后的应力值比原始结
构降低了15%，为缸盖的结构设计提供了一定的参考。关键词：气缸盖；热机耦合；正交实验；结构优化
中图分类号：TH122;TG65
文献标识码：A
Structure Optimization Design of Cylinder Cover Based on Thermo Mechanical Coupling
ZHANG Min,ZHANG Yi,ZHANG Qin-xiu
( School of Mechanical and Power Engineering , North University of China, Taiyuan 030051 , China )
Abstract : The structure of engine cylinder head has a great influence on its reliability. Firstly, 3D model of the cylinder head is established in order to improve the strength of cylinder head, then based on the principle of thermo mechanical coupling analysis of the temperature field and stress field of cylinder head structure. With using the orthogonal experiment method to construct 6 factors and 5 levels orthogonal experiment table By range analysis method in the comprehensive balance method to obtain the optimal combination of the key parts of the cylinder head size. Finally , the optimal size of cylinder structure is analyzed by finite element simulation, the stress value of the optimal size than the original structure is reduced by 15% and providing a certain reference for the structure design of cylinder head.
Key words: cylinder head; thermo mechanical coupling ; orthogonal experiment ;structural optimization
0引言
气缸盖是内机中形状最复杂的主要零件之
它与活塞顶及气缸内壁共同组成燃烧室(12)。气缸盖的工作条件非常恶劣，不仅承受着气体作用力而且还承受者气缸盖螺栓预紧力，另外由于燃烧室内的燃气和冷却水的作用使气缸盖各部分温度分布不均匀，导致气缸盖承受很大的机械应力和热应力3。而气缸盖结构尺寸对其应力分布有很大影响，刘震涛等人通过增加或者减少缸盖进出排气口处的上水孔个数和改变上水孔的截面积大小，对不同区域上水孔进行优化，再将优化的方案进行叠加组合得到最优结果[4)。吴波等人提出了评估气缸盖热强度的C2因子，验证了增加冷却液进口流量的方式并不利于提高气缸盖鼻梁区的抗热疲劳能力3]。张全中等人骨架式气缸盖设计喷油器安装孔结构和顶板加强筋与缸盖螺栓安装孔共同构成了气缸盖的主承力结构，得到了主承力结构的调整对气缸盖的热机耦合应力分布具有较大影响[6]。以上
收稿日期：20170108；修回日期：20170217
*基金项目：山西省应用基础研究项目（201601D021085）
学者提出的一些方法基本上从几何结构改变进行研究，在缸盖材料应用方面现在一股在铸铝和铸铁之间选择，新材料研究工作进展缓慢[？-]，因此利用有限元仿真分析和数值优化结构分析方法是比较现实良好的方法。本文利用有限元分析与正交实验数值优化方法正确分析气缸盖的温度场、热机耦合应力场并找到取优的气缸盖结构尺寸，对于气缸盖可靠性的提高及结
构设计优化提供一定参考。 1
缸盖有限元模型 1.1
网格划分
在保证不影响计算结果的前提下，对气缸盖等组合结构的三维模型进行了必要的简化和几何清理。采用四面体单元对气缸盖、机体、缸套等进行网格划分，气缸盖单元尺寸设定为4mm，机体的尺寸设定为 14mm，缸套的尺寸设定为10mm，其余螺栓和气门座圈等的尺寸设定为3mm，气缸盖三维模型及有限元模型
作者简介：张嵌（1990一），女，山西篇关县人，中北大学颈士研究生，研究方向为车用发动机强度分析与动态结构设计；通讯作者：张翼（1969一），
男，河北平山县人，中北大学副教授，博士，研究方向为动力机械结构强度，(Email)zhangyi@nuc.edu.cn，
万方数据