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柴油機氣缸功能的重要性及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使氣缸蓋成為內(nèi)燃機的關(guān)鍵部件之一。但是，嚴(yán)酷的工作條件也使氣缸蓋，特別是高速、大功率內(nèi)燃機氣缸蓋的強度可靠性顯得更為重要，是內(nèi)燃機整機可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。
長期以來，由于以往的技術(shù)條件限制，氣缸蓋可靠性的研究主要是采用實物疲勞試驗的方法，發(fā)現(xiàn)問題晚，浪費了大量的人力物力，因此對其進(jìn)行有限元分析的研究勢在必行。事實上，世界上許多大型的發(fā)動機生產(chǎn)及研制單位均已開展了氣缸蓋的現(xiàn)代設(shè)計分析研究，并取得了一定的研究成果。但是，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，大量文獻(xiàn)采用二維或簡單三維模型對其局部進(jìn)行溫度場或應(yīng)力場分析，因此，使問題的求解域過小，模型的合理性難以保證。即便有些文獻(xiàn)能夠得到較好的計算結(jié)果，也主要是得益于對比相關(guān)試驗的試算，建模和分析方法缺乏通用性和實用性。為此，應(yīng)該建立相應(yīng)的分析標(biāo)準(zhǔn)，以便對其進(jìn)行可靠的指導(dǎo)。
本研究針對在熱負(fù)荷方面具有一定優(yōu)勢的高速大功率內(nèi)燃機鑄鋁合金氣缸蓋，研究其在單純機械負(fù)荷作用下表現(xiàn)出的強度不足而出現(xiàn)斷裂的問題，探討其有限元分析邊界條件的施加方式，結(jié)合現(xiàn)代CAD軟件強大的有限元網(wǎng)格生成功能，得出一個相應(yīng)的、可靠的解決方案，為最終建立相應(yīng)的計算標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。
本研究的氣缸蓋是三缸整體式水冷鑄鋁氣缸蓋，采用四氣門，其中排氣門和進(jìn)氣門各兩個且各自沿燃燒室橫向中心線對稱分布;每缸在氣缸周圍對稱布置四個小緊固螺栓孔、四個大緊固螺栓孔(相鄰缸共用)。整個氣缸蓋關(guān)于中間缸的橫向中面基本對稱。如圖為該氣缸蓋的仰視簡圖。氣缸蓋在底面燃燒室外側(cè)設(shè)有內(nèi)、外兩圈小凹槽，用于放置密封鋼絲，見圖。氣缸蓋通過施加于大、小螺栓上的預(yù)緊力將內(nèi)、外兩圈密封鋼絲壓緊在安置于缸套的氣缸墊上，從而達(dá)到密封目的。
氣缸蓋機械負(fù)荷強度分析的邊界條件主要包括三方面：
(1)緊固螺栓的作用力；
(2)氣缸爆發(fā)壓力；
(3)與機體等其它裝配件的相互作用。忽略氣缸爆發(fā)壓力分布的不均勻性，對邊界條件(2)的仿真相對簡單。通常可以采用均布面力的形式直接施加于有限元模型，在不對燃燒室表面進(jìn)行詳細(xì)應(yīng)力分析的情況下，根據(jù)圣維南原理，這種處理對氣缸蓋其它部位應(yīng)力結(jié)果的影響不大。必須考慮燃?xì)鈮毫Φ牟痪鶆蛐詴r，在給定分布規(guī)律的情況下，運用現(xiàn)代有限元軟件也能較方便地進(jìn)行施加。
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