大功率内燃机车柴油机气缸盖热结构耦合应力分析

刘鑫 张永恒 王良璧

摘要：16V240机车柴油机气缸盖结构复杂，内部布置有冷却水腔和进排气气道，为研究气缸盖在高温、高压燃气、冷却水作用下气缸盖的强度，通过SolidWorks建立了柴油机气缸盖三维几何模型，利用Fluent进行了流固耦合传热计算分析，并以气缸盖温度场为输入载荷，进一步应用ANSYS Workbench平台分析了气缸盖的应力。通过分析得出气缸盖温度、应力云图。通过数值分析得出，气缸盖在多种物理场的作用下，承受较大负荷的区域出现在气缸盖的火力面。对比不同载荷下的应力云图，得出气缸盖主要受热应力的影响。

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.

关键词：柴油机气缸盖;温度场;应力场;耦合分析

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

中图分类号：TK422                                     文獻标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）18-0073-05

0  引言

柴油机气缸盖与活塞顶部、气缸壁构成燃烧室，并承担密封气缸的作用，内部布置有冷却水腔和进排气气道。气缸盖的底部是火力面，直接接触高温高压燃气，内部不规则型腔众多[1]。在柴油机的工作过程中气缸盖承受着较大的机械载荷（螺栓预紧力和缸内爆发压力）和高温燃气产生的对气缸盖较大的热负荷，机械应力和热应力状态十分复杂，工作环境极其恶劣。魏丹[2]等人采用了流固耦合方法对缸盖温度场分析，得到柴油机气缸盖的温度场分布，运用这种方法可以将气缸盖传热由瞬态过程转换成稳态过程。方强[3]等人通过AVL-Fire对国V柴油机缸盖内工作过程和冷却水套进行了三维数值分析，获得燃烧传热和冷却水套传热边界条件。肖翀[4]等人应用数值模拟方法实现了柴油机缸盖大型复杂结构的流固耦合的传热分析，得到了流场、固体温度场和流固交界面对流换热系数的大小和分布。气缸盖冷却水腔壁面换热边界的获取和施加十分困难，以往多是通过参考相关机型，采用经验或半经验的方法获得，但准确性难以保证。司东亚，骆清国[5]通过流固耦合分析获取冷却水腔壁面的换热系数和温度，然后将其作为外边界导入到 Transient Thermal Analysis 模块中，为边界条件的数值选择提供了新的方法。H. Vafadar[6]等人以某发动机缸盖为研究对象，创建缸盖和水腔耦合模型，计算了不同转速工况下的缸盖应力场分布情况。M H shojaefard[7]等人考虑了热边界条件对发动机气缸盖的工作影响，进行了热机耦合分析，最后将实验数据与仿真结果进行了对比，为优化气缸盖的结构提供了可靠性方案。Gholinia[8]等采用计算流体动力学（CFD）求解结构和流体，得到了壁面温度和热流密度和柴油机冷却套内的换热系数分布，最大值发生在火花塞附近。

本文在进行气缸盖的三维模型仿真计算时，从热学和力学角度出发，以柴油机气缸盖的三维模型为研究对象，包括对进排气装置，冷却水装置，气缸盖固体装置的综合研究，在目前研究人员普遍使用的高级CAE工具ANSYS中进行仿真计算，综合考虑柴油机气缸盖温度场，螺栓预紧力以及缸内爆发压力等多种因素的影响下，进行柴油机气缸盖整体的应力分析，对气缸盖的结构进行评定。

1  物理模型

16V240柴油机具有六角形的承载面，底部中央具有深5mm，直径为273mm的内凹平面，进、排气道采取壁面下弯、截面渐缩的曲面。在火力面的周围均布有6个螺栓孔和12个进水孔。螺栓孔壁的厚度呈倒锥形，并削去下部的局部孔壁。进水孔均布在火力面周围，其直径为10 mm。气缸盖模型如图1所示，忽略较小的倒角、圆角、小凸台以及在计算中并不参与分析的螺栓孔等，建立符合要求的柴油机气缸盖三维模型。

2  控制方程及边界条件

2.1 控制方程

对于不可压缩流体的流动来说，其流体的流动遵守三大定律连续性方程、动量守恒定律和能量守恒定律。

连续性方程： （1）

动量守恒定律：

（2）

能量守恒定律：

（3）

螺栓预紧力的计算公式： （4）

上式中，？籽是流体微元体上的压力？子xx、？子yx、？子zx等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力？子的分量。ST为粘性耗散项。F代表螺栓预紧力，T代表加在螺栓上的力矩，D代表预紧力系数。

2.2 流固耦合分析网格划分及边界条件

对气缸盖进行网格划分，采用四面体网格，之后对气缸盖火力面及流固耦合交界界面等重点研究位置进行网格加密。气缸盖的有限元模型的网格数量1663526，最大面网格设定8mm，最大网格设定10mm。气缸盖的整体网格模型，冷却水流体域网格模型，气缸盖的烟气，空气网格模型如图2所示。

流固耦合的边界条件由流体域边界条件和固体域边界条件共同组成。柴油机气缸盖的流动与传热是一个瞬态的过程，利用稳态的边界条件下的流固耦合传热方法可以有效模拟柴油机气缸盖的流动与传热，其仿真结果与实际测量硬度塞法结果误差在允许范围内[2]。故本文选取稳态条件下的热边界条件进行分析。为了得到缸盖的稳态温度场，采用平均对流换热系数和平均燃气温度作为第三类边界条件，对缸内燃气温度和对流换热系数分别取加权平均[9]。在进行冷却水流场分析时，入口的流体边界条件设定为质量流量入口：水的质量流量30m3/h，入口温度343K。出口定为压力边界条件出口。表1为最终的边界条件。

2.3 结构分析网格划分及边界条件

在进行静力分析加载机械载荷时，需要对气缸盖模型重新划分网格，把网格单元转化为结构单元，转化后的结构单元有限元模型如图3所示，为了便于仿真，建立模型时对气缸盖的清砂孔、气门座圈、缸盖垫片等做了适当的简化，配气机构作用力，气门盖罩作用力以及进排气道的作用力都忽略不计。在仿真计算气缸盖的机械应力而施加机械载荷时仅考虑紧固螺栓的螺栓预紧力和气缸内爆发压力。取16V240柴油机缸内爆发压力为13.6MPa。在气缸盖上有六个等效螺栓，每个螺栓的螺栓预紧力为123.35kN。

3  结果分析

3.1 气缸盖热应力分析

3.1.1 气缸盖的冷卻水流动分析

通过气缸盖的速度矢量图4可以看出，冷却水在流动过程中最大流速处为9m/s，其他部分流速也在10m/s之内，冷却水冷却效果较好，气缸盖内冷却水的流动由上到下速度逐渐加快，冷却水的流向经上水孔流向气缸盖上冷却水腔，再经过隔板流向下冷却水腔，最后在气道下方的出水孔流出，从而带走气缸盖的热量。

3.1.2 气缸盖温度场分析

图5显示，在气缸盖火力面进排气门之间的区域由于缸内温度较高，附近温度呈现梯度分布。而火力面受到强烈的外界条件，温度变化剧烈。故气缸盖最高温度区域出现在喷油器座孔与气门阀座之间的鼻梁区，温度在冷却后可以达到403K，未冷却之前可以达到700K。

从进排气道的温度场分布图6来看，进气道温度在某一截面呈现明显的温度分区，这是由于本身气缸盖火力面温度特别高，且冷却水在流动过程中在此区域的流动速度较小从而出现的[8]，对比进排气道的温度场分布可以发现，排气道的温度要明显高于进气道的，这是因为排气道里面的废气温度较高，对排气道进行了二次加热造成的。

3.1.3 气缸盖热应力分析

在分析气缸盖热应力时，为了更容易得到热应力场，忽略对气缸盖的燃气爆发压力、螺栓预紧力等机械负荷的影响，仅考虑单纯的温度应力[7-13]。气缸盖上各处热应力分布不均如图7所示。最大热应力处在气缸盖鼻梁区，最大热应力达到165.34MPa。鼻梁区冷却水流动速度较大，换热系数较大，故该处温度分布不均，温度梯度很大。由于鼻梁区热应力较大，而且此处由于有气道存在结构较薄，故此处极其容易断裂。

3.2 气缸盖的机械应力分析

3.2.1 气缸盖的机械载荷及约束

计算出所需要加载的机械载荷数值后，在ANSYS软件的Static Structural平台的Mechanical中把机械载荷加载在气缸盖的有限元模型上，机械载荷加载如图8所示。

3.2.2 气缸盖机械应力计算结果分析

从气缸盖因机械应力产生的变形云图如图9所示，从云图中可以看出，气缸盖机械盈利所导致的变形量极其微小，最大处仅达到0.097mm，相对于气缸盖的宽度225mm来说，数量级很小，所以在结构设计时，气缸盖因机械应力产生的变形可以忽略不计。

3.3 气缸盖内热机耦合结果分析

从热机耦合应力云图10来看，与单独分析气缸盖热应力和机械应力时结果没有很大差别，基本吻合。最大应力还是出现在喷油器座孔与气门阀座之间的鼻梁区。最大应力值233.73MPa。在气缸盖的螺栓孔附近也会出现应力集中，其主要原因是由于缸内爆发压力的作用，应力值大小为110MPa左右。

因此可以得出结论，在考虑热机耦合作用时，气缸盖内部的应力分布与气缸盖的热应力分布基本相吻合。且最大应力值没有超过材料的极限应力。这也就说明气缸盖疲劳破坏失效的主要原因是由于内部产生的热应力导致。

3.4 气缸盖的结构优化

降低热应力和机械应力的措施应从以下几个方面着手：①增大进排气气门之间的间距，应大于12mm，最好在19mm左右，尽可能缩短进排气道，同时进排气道设计成高而窄的结构，可以气缸盖散热的散热效果更好，使发动机更容易在正常工作温度下进行工作。②增大气缸盖火力面和上下冷却水腔隔板厚度，隔板厚度适当增加，以加强气缸盖的强度。③应尽量提高热负荷较大区域的换热系数和适当增大这些区域结构的厚度，并减小与气缸盖其他部位的温差，从而减小温度梯度，进一步降低气缸盖工作时产生的热应力，增加气缸盖的抗热疲劳强度，进而使气缸盖的使用寿命和可靠性大大增加。

4  结论

以16V240柴油机气缸盖为例对大功率内燃机车气缸盖進行了应力分析。耦合系统包含气缸盖缸体，冷却水腔和进排气气道。在Fluent中设置求解条件后求解得到温度场及进行流固耦合分析。之后把缸盖温度场作为载荷并施加相应机械载荷条件在Ansys Static Structural进行热机耦合计算得到应力场。论文结果可总结如下：

①对仿真计算得到的稳态温度场云图分析可得，气缸盖的最高温度区域出现在火力面喷油器座孔与进排气道气门阀座之间的鼻梁区，最高温度大约为526K，此区域温度梯度较大的原因主要是由于缸内爆发压力直接作用的结果。②排气道废气温度高于进气道空气温度，废气会对排气道进行加热，所以排气道温度要高于进气道温度。③对气缸盖在实际工作条件下的热机耦合应力进行了分析，得到气缸盖在热机耦合作用下最大应力区域分布在火力面上的鼻梁区;此外，由于缸内爆发压力的直接作用在六个螺栓孔上，气缸盖螺栓孔附近也有较大的应力集中。④从整体来看，气缸盖的热机耦合应力主要是热应力。⑤应以降低热应力为主要方向提高气缸盖的抗疲劳强度和使用寿命。在结构方面应在允许的情况下选择材料强度更好的材料和加厚气缸盖的底板以及增大两气门之间的间距，从而降低所受热应力。

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