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1、 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 I摘摘 要要 随着汽车排放法规的日益严格，汽车尾气氧传感器的应用和开发工作越来越迫切。数值模拟技术的应用有效地推动了这一过程的进展。本论文基于有限元模拟软件 ANSYS 平台，对氧传感器的温度场和应力场进行了模拟，论文的完成可为氧传感器的设计提供有效的依据。 论文针对套管式氧传感器的具体情况，建立了轴对称模型，根据装配要求，得到了相应的位移约束和压力载荷。通过实验对内置发热器的加热状况进行了测定，得到了氧传感器冷启动时陶瓷件内部的温度载荷情况，从而建立了完整的有限元分析模型，减少了计算量，又不影响计算结果的精度。 对套管
2、式氧传感器的温度场和应力场进行了动态模拟，得到了不同时刻的温度场和应力场的变化情况。再现了氧传感器在不同工作环境下的应力情况。结果表明在固定的结构尺寸情况下，外界温度载荷的变化对最大应力没有影响。通过对不同结构尺寸套管式氧传感器的应力场分析，得出了相应结构尺寸与应力之间的关系,为结构优化提供了依据。 对平板式氧传感器的温度场和应力场进行了模拟。温度场的结果显示，锆板在10s 左右前端温度就可以达到均匀，并且厚度方向表现出了很好的温度一致性；从应力场的结果显示，应力的较大值发生在固定位移与自由端的交界部分。并对平板式氧传感器的印制和装配给出了指导性建议。 关键词关键词：氧传感器 有限元分析 温度
3、场 应力场 ANSYS 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 IIAbstract With the more and more serious emission regulations, the development of the exhaust oxygen sensors has become increasing hot. Finite element analysis has been used successfully in this field. In this paper, the temperature field and the stre
4、ss field of the oxygen sensor has been simulated based on ANSYS platform. Some effective principles are provided for the design of oxygen sensor. The axisymmetrical model is established for meeting the specific conditions of the thimble-type sensor, and the corresponding displacement constraint and
5、pressure load are got according to the matching requirements. The heating rate of the heater has been tested by experiment, and then the temperature load has been set up. The integrated computer model for thermal analysis of the thimble-type sensor has been set up, which reduces the computational ef
6、forts while keeping the accuracy. The finite element analysis of temperature fields and stress fields of the thimble-type oxygen sensor is accomplished, and this paper analyzes how temperature fields and stress fields distribute in the different time. Analysis of stress fields of the thimble-type ox
7、ygen sensor in different environments has been done, and maximum stress is almost the same. The relationship of the structure feature dimension and the stress is founded, which can assist people to design a better sensor structure. The temperature fields and stress fields of the planar-type oxygen s
8、ensor is simulated. The result of the temperature fields shows that the temperature becomes uniform on the top of the planar-type sensor in 10 seconds while it also shows good temperature homogeneity in the thickness direction. The maximum stress appears near the junction of the freedom part and the
9、 limited part. Some instructive advices on the preparation and assemble of plate oxygen sensor are also referred. Keywords: Oxygen sensor Finite element analysis Temperature field Stress field ANSYS 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的
10、研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 张晓岩 日期： 2006 年 5 月 6 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （ 请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：张晓岩 指导教师签名：肖建中 日期：2006 年 5 月
11、 6 日 日期：2006 年 5 月 6 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 绪绪 论论 近年来，我国汽车制造工业发展迅速，已逐渐成为我国国民经济发展的支柱产业之一，在经济持续发展的同时，我国汽车保有量以每年平均 13的速度增长1。汽车的大量增加一方面促进了经济的发展和方便了人民的生活和生产，另一方面随之而来的愈加严重的排气污染也给人民的生活环境带来了极大的威胁。现在由汽车造成的污染问题已经引起了全世界的关注，工业发达国家制订了愈来愈严厉的尾气排放标准2，并延伸到对相关技术的限定。从 1984 年以来，我
12、国也相应地制定了汽车排放标准。如 2001 年 7 月 1 日我国全面禁止了化油汽轿车的销售与生产，因而只能销售电喷发动机汽车；我国政府已颁布有关条例，汽车年审时排放质量必须达到欧洲标准；于 2008 年前后国家将全面执行欧排放标准，并在全国范围内执行相应的汽柴油标准，等等。 目前用于减少和控制汽车尾气排放的措施主要有两种，一种是电喷技术加三元催化系统，另一种是稀薄燃烧系统。十五期间，针对越来越严重的汽车尾气污染问题，国家科学技术部决定实施“清洁汽车尾气行动关键技术攻关及产业化项目” ，并已经开始启动，其中就有汽车发动机电子控制燃油喷射技术（简称电喷技术）的关键零部件之一的汽车用氧传感器的开发
13、及其产业化。 氧传感器经过不断的发展，已经产生了很多种类。根据工作原理的不同，可分为三类：氧浓差电池型（传统的电压型氧传感器） 、氧化物半导体型（TiO2氧传感器）和极限电流型氧传感器（电化学泵型） 。按其应用来分，又可分为两类：理论空燃比传感器和稀薄空燃比传感器。按结构来分，又可以分为早期的套管式氧传感器和平板式氧传感器。 氧传感器产品的基本材料主要是氧化钛和氧化锆，其中以氧化锆产品最为广泛。早在二十世纪初 Nernst 就发现了二氧化锆基固体电解质的高温氧离子导电性；五十年代中期 Wagner 、 Kiukkolu 等证实了二氧化锆固体电解质的氧离子和氧空位迁移的导电机理；六十年代 Wer
14、ssbart 和 Ruka 提出了用二氧化锆固体电解质测定气体中氧华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2浓度；到七十年代中期二氧化锆固体电解质氧传感器的理论和实践已基本成熟。西德Bosch汽车公司率先开发出汽车用二氧化锆氧传感器， 并装备在瑞典Volvo汽车上，日本 NTK 公司也制成二氧化锆氧传感器装备在其汽车上。二氧化锆氧传感器应用于汽车来控制内燃机燃烧空燃比。使用氧传感器可以节油 15-20，与三元触媒催化相结合可出去尾气中有害成分的 80，其使用温度为 300-900，响应时间不大于0.5s。 近三十年来，西方各国不断开发研究应用各种二氧化锆氧传感器
15、3-6；我国对二氧化锆固体电解质研究比较晚。欧美日等国早在七十年代就开始研制生产各种型号的汽车用二氧化锆氧传感器，现在对中国大量出口，国内也有几家单位研究开发二氧化锆氧传感器7-9。但与国外产品相比普遍存在稳定性差和寿命短的现象，即使在国外已经完全实用化了的产品中也常出现零电位不稳、电势异常、响应劣化、电极中毒和脱落等现象，这一切都与二氧化锆氧传感器的基体、电极的性能以及氧传感器结构有关，因此有必要研究二氧化锆氧传感器结构设计与制备和性能测试，分析其影响电势输出和响应性能的因素，探索各种性能变化的规律，为改进二氧化锆氧传感器的性能提供理论依据，并反过来优化其设计结构和制造工艺。计算机模拟技术的
16、应用推动了这一过程的进展。 1.1 氧传感器计算机模拟的发展概况氧传感器计算机模拟的发展概况 随着计算机技术的发展，一些学者也开始将计算机模拟技术应用到氧传感器的研究领域。目前有关氧传感器的模拟研究文献还很少。Gavanghan 等10 通过建立二维的扩散方程， 研究了扩散过程和决定因素有关随时间变化的电流压膜 Clark 式氧传感器。Lee 等11开发了一个基于微型免疫传感器的二维有限元模型来模拟流程装置单元的传感器. Atashbar 和 Wlodarski12 应用一种专用软件模拟了声波传感器的表面行为，并通过实验验证了结果。David Te-yen Huang13在实验基础上进行平板式传感器的温度场和复合热应力场研究，并提出了一个有关模拟尾气氧传感器电结构耦合场的完整模型， 采用由 Jones14, Vinson 和 Sierakowski15提出的混合原理来得到代表单一复合层的简单平面单元的一般材
