CN103034744A - 一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法 - Google Patents

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张建
齐继阳
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Abstract

本发明涉及温度场的模拟方法技术领域，公开了一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法，所述方法包括以下步骤：建立气缸盖的几何模型；根据气缸盖材料的物性参数，定义材料属性；根据定义的材料属性进行网格划分；边界条件的定义，包括位移边界条件的定义和热边界条件的定义；热源加载及用牛顿迭代法求解温度场；温度场结果分析与评价，本发明的优点是：通过计算机模拟的方法，具有成本低，周期短的优点，减少了试验气缸的制造量，从而可以有效的节约资源。

Description

一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法
技术领域
本发明涉及一种温度场的模拟方法，特别是关于一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法。
背景技术
气缸盖用于密封气缸的顶部，与活塞顶及气缸内壁共同组成发动机的燃烧空间。在发动机工作过程中，气缸盖在承受大的机械负荷(螺栓固紧力、燃气爆发压力等)的同时，还存在高的热负荷，是发动机中工作条件最为恶劣的零部件之一。气缸盖的可靠性问题一直是发动机设计中的关键课题，而温度又是影响气缸盖可靠性最重要的因素之一。
一、目前，在对气缸盖的开发过程中，对其温度场的预测是很少的，一般都采用反复试验的方法，成本高，周期长，造成一些没有必要的浪费。也有采用有限元法计算的，但是这种用有限元计算的方法，对界面间的对流换热系数等因素考虑的不够系统，不够全面。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法，该方法充分考虑了界面间的对流换热系数，并通过大量试验的验证，结果可信度高，同时，减少了气缸盖的试制次数，缩短了产品开发周期，降低了开发成本。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法，其中所述方法包括以下步骤：
(1)建立气缸盖的几何模型S1；
(2)根据气缸盖材料的物性参数，定义材料属性S2；
(3)根据定义的材料属性进行网格划分S2；
(4)边界条件的定义，包括位移边界条件的定义S3和热边界条件的定义S4；
(5)热源加载S5及用牛顿迭代法求解温度场S6；
(6)温度场结果分析与评价S7。
优选的，所述步骤(2)中，气缸盖材料性能参数至少包括弹性模量、泊松比、比热容、线膨胀系数和热导率。
优选的，所述步骤(3)中，气缸盖采用四面体传热单元。
优选的，所述步骤(4)中，热边界条件定义过程中的对流换热系数的确定步骤为：首先设定各部分换热系数初值S8，然后建立气缸盖对流换热系数的回归模型S9，确定目标函数、设计变量和约束，进而选取优化算法并进行迭代求解S10，最后根据迭代结果确定最佳的对流换热系数S11。
本发明的优点是：通过计算机模拟的方法，具有成本低，周期短的优点，减少了试验气缸的制造量，从而可以有效的节约资源。
附图说明
图1为气缸盖温度场模拟方法流程图；
图2为气缸盖三维几何模型图；
图3为气缸盖划分网格后的模型图；
图4为对流换热系数回归流程图；
图5为气缸盖温度场结果云图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进更一步的详细描述和说明。
如图1所示，本发明利用计算机技术对低速柴油机气缸盖进行温度场模拟，其具体步骤如下：
步骤一：对需要模拟的气缸盖进行分析S0，建立气缸盖的三维几何模型S1、定义材料属性及对其进行网格划分S2。
本实施例中，根据气缸盖图纸，建立气缸盖的三维几何模型，如图2所示。根据气缸盖所使用的材料，定义其材料属性，气缸盖材料为镍铬合金钢，其热物性参数如表1所示。在三维几何模型的基础上，利用有限元软件对气缸盖进行网格划分，使用四面体传热单元，如图3所示。在容易产生应力集中的部位，离散单元要更加细致，一定要保证关键部位有足够的网格精度，本实施例中网格总数大约在37.4万，节点数在8.1万左右。
表1气缸盖材料热物性参数
Figure BSA00000585694500031
步骤二：位移边界和热边界条件的确定
本实施例中，根据气缸盖实际工作状况，确定其位移边界条件S3和热边界条件S4，其中位移边界条件主要为装配载荷边界条件，主要考虑的是螺栓的预紧力。
热边界条件的确定是低速柴油机温度场模拟的重点，其中对流换热系数的求取是关键。具体求解步骤如图4所示，首先设定各部分换热系数初值S8，然后建立气缸盖对流换热系数的回归模型S9，确定目标函数、设计变量和约束等，进而选取优化算法并进行迭代求解S10，最后根据迭代结果确定最佳的对流换热系数S11。
步骤三：边界条件的加载
气缸盖的位移边界条件根据其在发动机中实际工作状况施加；气缸盖的热边界条件较为复杂，确定热边界条件主要是燃气边界，水套边界，进排气道边界和油路边界等，各换热系数采用图4所示方法求解并施加S5。
步骤四：对所述的低速柴油机气缸盖进行模拟计算并对结果进行分析评价。
采用牛顿迭代法，对气缸盖的温度场进行分析S6，并对结果进行分析与评价S7。由图5所示，气缸盖燃烧室表面的温度梯度变化比较小，最大温差大约60度，平均温度在540度左右，说明缸盖内部水道分布是比较合理。
以上所述的仅是本发明的优选方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)建立气缸盖的几何模型(S1)；
(2)根据气缸盖材料的物性参数，定义材料属性(S2)；
(3)根据定义的材料属性进行网格划分(S2)；
(4)边界条件的定义，包括位移边界条件的定义(S3)和热边界条件的定义(S4)；
(5)热源加载(S5)及用牛顿迭代法求解温度场(S6)；
(6)温度场结果分析与评价(S7)。
2.根据权利要求1所述的一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)中，气缸盖材料性能参数至少包括弹性模量、泊松比、比热容、线膨胀系数和热导率。
3.根据权利要求2所述的一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中，气缸盖采用四面体传热单元。
4.根据权利要求3所述的一种低速柴油机气缸盖温度场的模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中，热边界条件定义过程中的对流换热系数的确定步骤为：首先设定各部分换热系数初值(S8)，然后建立气缸盖对流换热系数的回归模型(S9)，确定目标函数、设计变量和约束，进而选取优化算法并进行迭代求解(S10)，最后根据迭代结果确定最佳的对流换热系数(S11)。
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