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缸盖流固耦合计算 刘丽华 潍柴动力杭州研发中心，杭州 摘要：使用ABAQUS 软件对某机型原气缸盖和改进后的气缸盖采用流固耦合方法进行有限 元计算，考察改进方案的可行性。 关键词：缸盖 ABAUQS 流固耦合 0.前言 某型号发动机使用过程中，发现缸盖出现强度问题，需要进行改进。使用 ABAQUS 软件对某机型原气缸盖和改进后的气缸盖采用流固耦合方法进行有限元 计算，考察改进方案的可行性。 1. 计算模型建立 1.1 网格模型 针对某机型气缸盖三种方案分别进行了计算分析。原机模型即现有缸盖模 型。方案1 在原机模型基础上增大了气道根部圆角及气道与喷油器孔凸台间过渡 圆角。方案2 在方案1 基础上减小了排气道筋突出量。三种方案的几何模型如 图1 所示。利用HyperMesh 对三种方案的几何模型进行网格划分，网格模型如 图2 所示（取一种示意）。 图2 网格模型 1.2 边界条件 1.2.1 热边界 利用AVL BOOST 软件进行热力学仿真，获得相关数据，用以计算气缸盖火力 面和进排气道的对流换热系数。 1.2.2 流体边界 利用专业CFD 软件STAR-CD 对发动机整体冷却水腔进行流场分析。CFD 计算 模型如图3 所示。 图3 CFD 计算模型 1.2.3 机械边界 在简化机体底部的节点施加全约束，将气体压力加载在相关部件上。计算分 三个工况，分别为预紧工况、预紧-热工况、预紧-热-爆压工况。 3. 计算结果及分析 3.1 气缸盖温度场 利用CFD 计算获得的温度和对流换热系数，利用有限元软件ABAQUS 计算缸 盖的温度场。图4 为三种方案的缸盖火力面的温度分布。从图中可以看出：三种 方案的位置3 处温度都比较高，原机该处位置的最高温度为527K，方案1 该处 位置最高温度为530K，方案2 该处最高温度为525K，而且方案1 温度高分布区 域扩大，没有达到改善的作用，这与上述计算获得的速度场正好相对应，采用方 案1 后，该处位置的冷却效果明显不好，因此导致此处的高温区域扩大，采用方 案2，该处位置冷却效果相对方案1 稍有改善。 图4 缸盖温度场分布 3.2 三种方案预紧-热工况下的Mises 应力 该工况下缸盖火力面的Mises 应力分布如图5 所示。关注截面的Mises 应力 分布如图6 所示。观察图5 看出：该工况下三种方案的火力面Mises 应力分布总 体差异不大，但方案1 和方案2 两进气门鼻梁处的应力值均有所增大。 观察图 6 看出：方案1 和方案2 的标示位置处即排气道与火力面上表面圆角处的应力明 显降低（图示箭头位置）。 图5 预紧-热工况下缸盖火力面Mises 应力分布 图6 预紧-热工况下关注截面的Mises 应力分布 3.3 三种方案预紧-热-爆压工况下的Mises 应力 该工况下缸盖火力面的Mises 应力分布如图7 所示。关注截面的Mises 应力 分布如图8 所示，局部放大示意图如图9 所示。观察图7 看出：该工况下三种方 案的火力面Mises 应力分布差异不大，但方案1 和方案2 两进气门鼻梁区的应力 明显增大。观察图8 和图9 看出：方案1 和方案2 在排气道与火力面上表面圆角 处的应力明显降低。采用方案2 时图7 箭头标示区域的应力相对于方案1 明显改 善，其它区域差异不大，因此，方案2 优于方案1。 图7 预紧-热-爆压工况缸盖火力面的 Mises 应力分布 图8 预紧-热-爆压工况关注截面的 Mises 应力分布 图9 预紧-热-爆压工况局部放大的 Mises 应力分布 4.结论 采用方案1 后，位置3 处的冷却效果降低，位置4 处的冷却效果提升，采用 方案2 后，位置3 处的冷却效果相对方案1 有所改善，位置4 处的冷却效果相对 方案1 降低，但相对原机有所改善。方案1 和方案2 优于原机，采用方案1 和方 案 2 后，两进气门鼻梁区的应力虽然有所增