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氣缸蓋用來密封氣缸的上面部分，它與活塞頂及氣缸內(nèi)壁共同組成燃燒空間。氣缸蓋的結(jié)構(gòu)形狀十分復(fù)雜，承受著氣體作用力和氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力。氣缸蓋各部分溫度很不均勻，氣缸蓋底面燃燒室部分溫度很高，而冷卻水套或散熱片部分的溫度很低，進(jìn)氣道和排氣道的溫度也不相同，因此，氣缸蓋的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力都很大。特別是由于高溫和溫度分布不均勻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復(fù)作用往往形成熱疲勞裂紋。同時(shí)，氣缸蓋受熱時(shí)引起的變形如果過大，會(huì)影響與氣缸的接合面和氣門座接合面的密封，加速氣門座的磨損產(chǎn)生氣門桿“咬死”，甚至造成漏氣、漏水和漏油等現(xiàn)象使內(nèi)燃機(jī)無法工作。正確分析缸蓋的溫度場和應(yīng)力場是缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，利用有限元分析法可以縮短缸蓋設(shè)計(jì)周期，降低成本。但是，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及缸蓋和周圍零件之間復(fù)雜的接觸配合關(guān)系，使缸蓋有限元計(jì)算變得異常困難。
大量文獻(xiàn)采用二維或簡單三維模型對其進(jìn)行溫度場或應(yīng)力場分析，使問題的求解域過小，模型的合理性難以保證，其計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況有很大差異。即便有些文獻(xiàn)能夠得到較好的計(jì)算結(jié)果，也主要是得益于對比相關(guān)試驗(yàn)的試算，建模和分析方法缺乏通用性和實(shí)用性。為此，以某型柴油機(jī)氣缸蓋為例，研究其在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，探討氣缸蓋有限元分析中的方法問題。
研究的氣缸蓋是六缸整體式水冷灰鑄鐵氣缸蓋。考慮到缸蓋的機(jī)械負(fù)荷主要來自預(yù)緊工況，且缸蓋結(jié)構(gòu)基本對稱、各缸蓋的剛度相互影響很小，預(yù)緊工況載荷對稱，因此取單缸模型進(jìn)行分析即可。
采用CAD軟件I-DEAS建立缸蓋單缸實(shí)體模型見圖。采用解氣門，每缸在氣缸周圍對稱布置6個(gè)緊固螺栓孔(相鄰缸共用)。對某些對缸蓋強(qiáng)度和變形影響極小的倒角等予以忽略，這樣有利于減少計(jì)算量，縮短計(jì)算周期。進(jìn)、排氣道采用截面放樣得到，圖為進(jìn)氣道實(shí)體模型圖。考慮到缸蓋和機(jī)體的接觸以及機(jī)體剛度對缸蓋的影響，對與缸蓋接觸的機(jī)體采用高度方向剛度等效機(jī)體模型，截面為缸蓋火力板。
在保證目標(biāo)求解精度的前提下，盡量減小有限元模型的求解規(guī)模是關(guān)系到問題求解成功率的關(guān)鍵，因此在建立有限元模型的時(shí)候必須進(jìn)行有限元離散誤差的收斂性分析。
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