为研究不同种类缸套在内燃机中受温度、气体爆发压力与螺栓预紧力等不同因素的影响,现采用Java平台,结合ANSYS参数化编程模块APDL来进行软件的二次开发,设计出一套内燃机缸套的热机耦合分析系统。该系统针对不同种类缸套建立相应的ANSYS命令流模板,通过可视化的简单界面操作,可实现对缸套进行快速建模、划分网格、加载载荷、计算和显示结果等功能。以某型号柴油机干式为对象,进行了缸套热机耦合实例分析,验证了该系统的有效性和结果的准确性。

利用有限元分析软件ABAQUS,建立提梁机车轮纯滑动时,车轮和轨道的热弹塑性二维有限元模型,分析其温度场及应力场分布,以及轨道的残余应力及塑性应变,最后分析了不同工作参数(工作载荷、摩擦系数和滑动速度)对车轮及轨道的温度及应力的影响。分析结果显示提梁机的最高温度在车轮上的接触区,并且呈现一直升高的趋势;轨道表面温度场分布呈细长条状,其温度呈现一个急速快速及缓慢下降的过程;车轮在滑动过程中,会发生塑性变形,并会有残余应力产生;车轮和轨道的最大温度和应力和工作参数(工作载荷、摩擦系数和滑动速度)呈现正相关关系。

随着内燃机排放的要求越来越严格,乘用车汽油机将向高升功率、小型化、增压直喷的方向发展,这对活塞的轻量化研究提出更高的要求和挑战。为进一步对汽油机活塞进行优化设计,综合考虑其温度、强度及结构,针对某汽油机活塞轻量化工程问题,进行了该活塞的参数化设计及热机耦合分析,并基于ISIGHT多岛遗传算法建立优化设计方案。优化结果表明壁厚从7.00 mm变成6.23 mm,顶厚从7.00 mm变成6.82 mm,火力岸高度从6.30 mm变成6.96 mm,最大应力略有增加,且在材料强度极限内,质量从111.95 g变成101.13 g,总质量减少9.7%,达到了轻量化的目的。

架桥机在工作过程中,偶尔会出现车轮在轨道上的打滑现象,此现象会对车轮和轨道的性能产生重要影响。运用有限元软件ABAQUS,建立架桥机的车轮在轨道上纯滑动时,车轮和轨道的热机耦合三维有限元模型。分析车轮和轨道的温度场及应力场分布,以及不同工作参数(工作载荷、摩擦系数和滑动速度)对车轮及轨道的温度及应力的影响。分析结果显示架桥机的最高温度在车轮上的接触区,并且呈现一直升高的趋势;轨道表面温度场分布呈细长条状,其温度呈现一个急速快速及缓慢下降的过程;车轮和轨道的最大温度和应力和工作参数(工作载荷、摩擦系数和滑动速度)呈现正相关关系。最后运用移动热源法分析了轨道的温度及塑性应变特性,其趋势与三维模型一致,说明方法可靠。

为了分析下置式气缸套的变形特征,建立了气缸套、缸体、螺栓的参数化模型,以活塞推力侧壁厚为设计变量,采用ANSYS Workbench软件对参数化模型进行数值分析,获得了气缸套温度在轴向呈梯度分布特征,径向形变量最大位置处于气缸套活塞推力侧,活塞侧推力导致气缸套失圆变形。为了改善气缸套工作时因活塞侧推力导致的失圆变形,构建了气缸套优化模型,以气缸套活塞推力侧壁厚为优化目标,对气缸套活塞推力侧进行结构优化设计,通过对不同设计方案对比,得到结构参数对气缸套的影响规律。研究结果表明,优化后的气缸套推力侧形变减少16%,达到预期效果,有效地提升气缸套工作能力。

针对制动盘表面温升严重、磨损剧烈等问题,建立沟槽表面制动盘制动过程模型并进行热机耦合有限元分析,研究沟槽的角度、宽度、密度对制动盘温度场和应力场的影响。结果表明:沟槽结构可以储存空气,加快制动盘与外界的换热,具有散热性,并且减小了表面直接接触摩擦的面积,从而导致了沟槽型表面制动盘比光滑表面制动盘温度低和等效应力小;沟槽角度、宽度对制动盘表面温度和等效应力影响明显,其中沟槽角度为45°、宽为4 mm的沟槽型表面制动盘温度和等效应力值最小;沟槽密度对制动盘表面温度和等效应力影响不明显。

为提升矿用防爆柴油机的换热能力,提出水冷代替油冷方案,对燃烧室内活塞的热载荷响应特性进行了研究与分析。基于CFD方法,建立活塞冷却腔内的气液两相流模型,选用SST k-ω湍流模型,结合VOF模型和Level Set模型得出不同曲轴转角下的液相比例和对流换热系数变化规律,分析了冷却腔结构对传热效果的影响。构建活塞热机耦合模型,计算了极限条件下活塞的热应力和热变形。研究结果表明:冷却腔内的液相比例并非决定换热效率的唯一要素,液相的振荡作用可显著增大对流换热系数;活塞头部的薄壁变形主要受热载荷影响,受腔内压力和惯性力的影响较小。

核电设备的快断分析是力学安全分析中重要的组成部分。在热机耦合分析中,热边界的变化对安全分析有重要的影响。利用RCC-M规范在进行快速断裂评判中,热边界关系着安全分析的失效模式和评定限值的变化。以蒸汽发生器下部封头为例,结合RCC-M规范和有限元软件开展了虚拟紧急工况下的快速断裂安全分析研究,并讨论了热边界对分析结果的影响。研究表明:热边界参量(换热系数)的变化会影响快断失效模式和评定限值;RCC-M规范在核电设备快断分析方面有较高的安全因子。