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1、l 摘要气缸套就是缸套的全称，它镶在缸体的缸筒内，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。气缸套分为干缸套和湿缸套两大类。背面不接触冷却水的气缸套叫干缸套，背面和冷却水接触的气缸套是湿缸套。干缸套厚度较薄、结构简单、加工方便。湿缸套直接接触冷却水，所以有利于发动机的冷却，有利于发动机的小型轻量化。柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间,并为活塞起导向作用。燃烧过程中燃气的最高温度可达2 500左右,因此缸套的内壁直接受到高温高压燃气作用,而它的外侧又被冷却水包围,在内外壁如此大的温差下,气缸套将会产生一定的热应力及热变形。缸套作为薄壁筒类零件，由于较大的温度梯度将使其产生过大的热变形，与活塞组的正常间隙
2、被破坏，磨损增大，高温将使润滑情况恶化，甚至龟裂；而缸套表面温度过低则对柴油机启动、燃烧过程不利，影响发动机的正常运行。由于气缸套是一薄壁圆筒形零件,缸套的不正常变形将破坏活塞与缸套间的正常间隙,导致工作过程的恶化,所以热应力及热变形都需要控制在一定的范围内。本研究以380柴油机热负荷为研究对象，系统地探讨了有限元法在柴油机缸套设计中的应用，深入研究了柴油机缸套热负荷对性能和可靠性的影响，同时系统的介绍了有限元分析软件ANSYS的分析特点和步骤，及其在工业设计上应用的广泛性及其对各种分析的重要意义。本研究首先阐述气缸套的应用作用及设计意义，介绍关于气缸套的分类和作用等各个方面；利用获得的参考文
3、献的温度场及材料各个特性参数的资料，采用有限元分析软件ANSYS对F170干式缸套的热应力及热变形进行分析探讨，对实现缸套的优化设计提供参考。关键词： 气缸套 有限元 热应力 AbstractCylinder liner is the name that we call the liner of a cylinder. It sets inside the cylinder barrel and makes up of the combustion chamber together with the piston and cylinder head. Cylinder liners have
4、two kinds: dry and wet cylinder liner .The kind that doesnt touch the cooling water in its back is dry cylinder, the other kind liner is wet liner. The dry cylinder is very thin, very simple and easy machining. Wet cylinders contact with the cooling water directly so that for the engine cooling and
5、the simplification of engine.The cylinder of diesel engines is the space for gas combustion and expansion and it also works as the guiding role for piston. In the process of gas combustion temperature can reach to 2 500 degrees Celsius, therefore the inside wall of cylinder liner is directly under t
6、he high temperature and high pressure gas, and its outside wall is surrounded by cooling water. So under the huge difference of temperature the cylinder liner will produce certain thermal stress and deformation. As a spares of thin walls the cylinder liner will produce thermal deformation which is t
7、oo seriously due to the big temperature difference and will also break the normal clearance of piston groups make more serious friction. The high temperature can make the lubricating property worse, even chap. However if the temperature of cylinders surface is too low it will affect the starting and
8、 combusting process of diesel engine and also affect its normal operation. As a spare of thin walls the abnormal deformation of cylinder liners will break the normal clearance between piston and cylinder and lead the operating process to getting worse. So the thermal stress and thermal deformation s
9、hould be controlled in permitting range.This study takes aid at 380 diesel engine cylinder liners, discusses the application of FEM in diesel engine cylinder liners systemic and studies the thermal load of diesel engine cylinder liners affection to the security and reliability. Besides, I also intro
10、duce the analyzing feature and procedure of FEM software ANSYS and the universality and importance of its application.This study firstly introduces cylinder liners function and its design significance and then introduces the classification and function and so on. I take use of the thermal field and
11、many parameters that are achieved by me. I also exploit the FEM software ANSYS to analyse the thermal stress and deformation so as to applying the reference of cylinder liners design.Keywords: cylinder liner, FEM, strain目录摘要IAbstractII目录IV第一章 引言- 1 -1.1内燃机气缸套热应力研究的意义- 1 -1.2内燃机气缸套热应力研究的国内外状况- 1 -1.3
12、 本研究的主要内容及意义- 2 -第二章 气缸套结构设计- 3 -2.1 气缸套分类- 3 -2.1.1 干式气缸套- 3 -2.2.2 湿式气缸套- 3 -2.2 气缸套损坏现象和原因- 4 -2.2.1 气缸镜面磨损- 4 -2.2.2 气缸套外壁的腐蚀- 5 -2.3 气缸套的材料和表面处理- 5 -2.3.1 球墨铸铁- 6 -2.3.2 高磷铸铁- 6 -2.3.3 合金铸铁- 6 -2.4 气缸套的结构设计和基本尺寸- 7 -2.4.1 干式气缸套- 7 -2.4.2 湿式气缸套- 7 -2.5 实体绘图软件对气缸套的绘制过程- 8 -2.5.1 关于实体绘图软件Pro-E- 8
13、-2.5.2 气缸套实体的绘制过程- 10 -2.6 提高气缸套使用寿命的有关措施- 11 -第三章 气缸套温度场计算的导热方程及其边界条件- 13 -3.1导热微分方程及其边界条件的选取- 13 -3.1.1 导热微分方程- 13 -3.1.2 边界条件的选取- 15 -3.2 缸套温度场计算- 16 -3.2.1 燃气侧的边界条件- 16 -3.2.2 缸套与机架的边界条件- 17 -3.2.3 冷却水与缸套外侧的边界条件- 17 -第四章 气缸套热应力和热变形的有限元模型的建立- 18 -4.1 数值计算方法的分析与选择- 18 -4.2 气缸套有限元模型的建立- 19 -4.3 应用软
14、件的介绍及其具体建模过程- 19 -4.3.1 Pro-E实体绘图软件简介及具体绘制结果- 19 -4.3.2 ANSYS有限元分析软件简介及具体建模结果- 20 -第五章 缸套热负荷加载分析及结果- 26 -5.1 缸套热负荷加载分析- 26 -5.2 加载- 26 -5.3 结果分析- 29 -参考文献- 30 -致谢- 32 -VII第一章 引言第一章 引言1.1内燃机气缸套热应力研究的意义 作为一种热能动力机械，内燃机的工作过程始终离不开热现象，始终会受到热应力的影响。因而热应力在很大程度上主宰着柴油机的经济性，可靠性以及其他各项重要的技术经济指标。尤其是热负荷对气缸套的产生的应力影响
15、，会对发动机的整体性能产生很大的影响。即使在强化程度较低的柴油机上也己普遍有所反映，在柴油机负载日益增强的今天，研究柴油机气缸套热负荷问题已是非常紧迫的任务了。 柴油机向高强化方向的发展使其零部件的机械负荷和热负荷不断增大，而柴油机的气缸套是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，并为活塞起导向作用，它的不正常变形将破坏活塞与缸套间的正常间隙，导致工作过程的恶化。随着高速化、大功率及增压技术的发展，柴油机的强化程度不断提高势必引起发动机热负荷增加，从而使得气缸盖和气缸套的温度偏高，润滑条件恶化，气缸磨损加剧。因而，如何降低柴油机气缸套的热应力，则是提高其整机性能的重要研究课题。1.2内燃机气缸套热应力研究的国内外状况 对于内燃机气缸套热应力的研究，根据温度场和热变形的研究方法，分为直接的实验测量方法和数值计算方法。 首先介绍试验测量方法的发展状况，随着测试技术的发展以及测量精度的不断提高，人们越来越多地运用一些高科技手段以及先进的测量方法对缸套的温度场和热变形进行分析检测，现代的测量方法已经由最初的硬度法、热电偶法、易熔合金法等发展到目前的热弹效应法、同位素法、氢化技术等。现代的测量方法不
