1、 .摘要氣缸套就是缸套的全稱，它鑲在缸體的缸筒，與活塞和缸蓋共同組成燃燒室。氣缸套分為干缸套和濕缸套兩大類。背面不接觸冷卻水的氣缸套叫干缸套，背面和冷卻水接觸的氣缸套是濕缸套。干缸套厚度較薄、結構簡單、加工方便。濕缸套直接接觸冷卻水，所以有利于發動機的冷卻，有利于發動機的小型輕量化。柴油機的氣缸是氣體壓縮、燃燒和膨脹的空間,并為活塞起導向作用。燃燒過程中燃氣的最高溫度可達2 500左右,因此缸套的壁直接受到高溫高壓燃氣作用,而它的外側又被冷卻水包圍,在外壁如此大的溫差下,氣缸套將會產生一定的熱應力與熱變形。缸套作為薄壁筒類零件，由于較大的溫度梯度將使其產生過大的熱變形，與活塞組的正常間隙被破壞

2、，磨損增大，高溫將使潤滑情況惡化，甚至龜裂；而缸套表面溫度過低則對柴油機啟動、燃燒過程不利，影響發動機的正常運行。由于氣缸套是一薄壁圓筒形零件,缸套的不正常變形將破壞活塞與缸套間的正常間隙,導致工作過程的惡化,所以熱應力與熱變形都需要控制在一定的圍。本研究以380柴油機熱負荷為研究對象，系統地探討了有限元法在柴油機缸套設計中的應用，深入研究了柴油機缸套熱負荷對性能和可靠性的影響，同時系統的介紹了有限元分析軟件ANSYS的分析特點和步驟，與其在工業設計上應用的廣泛性與其對各種分析的重要意義。本研究首先闡述氣缸套的應用作用與設計意義，介紹關于氣缸套的分類和作用等各個方面；利用獲得的參考文獻的溫度場

3、與材料各個特性參數的資料，采用有限元分析軟件ANSYS對F170干式缸套的熱應力與熱變形進行分析探討，對實現缸套的優化設計提供參考。關鍵詞： 氣缸套 有限元 熱應力 - 32 - / 38AbstractCylinder 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

4、have two kinds: dry and wet cylinder liner .The kind that doesn't 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 co

5、oling and 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 combustiontemperature can reach to 2 500 degrees Celsius, therefore the inside wall of cylinder liner is directl

6、yunder the high temperature and high pressure gas, and its outside wall is surrounded by cooling water. Sounder 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 whi

7、ch is too 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 start

8、ing and 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 deform

9、ation should 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 als

10、o introduce 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 fie

11、ld and 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目錄摘要IAbstractII目錄IV第一章引言- 1 -1.1燃機氣缸套熱應力研究的意義- 1 -1.2燃機氣缸套熱應力研究的國外狀況- 1 -

12、1.3 本研究的主要容與意義- 2 -第二章氣缸套結構設計- 3 -2.1 氣缸套分類- 3 -2.1.1 干式氣缸套- 3 -2.2.2 濕式氣缸套- 3 -2.2 氣缸套損壞現象和原因- 4 -2.2.1 氣缸鏡面磨損- 4 -2.2.2 氣缸套外壁的腐蝕- 5 -2.3 氣缸套的材料和表面處理- 5 -2.3.1 球墨鑄鐵- 6 -2.3.2 高磷鑄鐵- 6 -2.3.3 合金鑄鐵- 6 -2.4 氣缸套的結構設計和基本尺寸- 7 -2.4.1 干式氣缸套- 7 -2.4.2 濕式氣缸套- 7 -2.5 實體繪圖軟件對氣缸套的繪制過程- 8 -2.5.1 關于實體繪圖軟件Pro-E- 8

13、 -2.5.2 氣缸套實體的繪制過程- 10 -2.6 提高氣缸套使用壽命的有關措施- 11 -第三章氣缸套溫度場計算的導熱方程與其邊界條件- 13 -3.1導熱微分方程與其邊界條件的選取- 13 -3.1.1 導熱微分方程- 13 -3.1.2 邊界條件的選取- 15 -3.2 缸套溫度場計算- 16 -3.2.1 燃氣側的邊界條件- 16 -3.2.2 缸套與機架的邊界條件- 17 -3.2.3 冷卻水與缸套外側的邊界條件- 17 -第四章氣缸套熱應力和熱變形的有限元模型的建立- 18 -4.1 數值計算方法的分析與選擇- 18 -4.2 氣缸套有限元模型的建立- 19 -4.3 應用軟件

14、的介紹與其具體建模過程- 19 -4.3.1 Pro-E實體繪圖軟件簡介與具體繪制結果- 19 -4.3.2 ANSYS有限元分析軟件簡介與具體建模結果- 20 -第五章缸套熱負荷加載分析與結果- 26 -5.1 缸套熱負荷加載分析- 26 -5.2 加載- 26 -5.3 結果分析- 29 -參考文獻- 30 -致- 32 -第一章 引言1.1燃機氣缸套熱應力研究的意義 作為一種熱能動力機械，燃機的工作過程始終離不開熱現象，始終會受到熱應力的影響。因而熱應力在很大程度上主宰著柴油機的經濟性，可靠性以與其他各項重要的技術經濟指標。尤其是熱負荷對氣缸套的產生的應力影響，會對發動機的整體性能產生很

15、大的影響。即使在強化程度較低的柴油機上也己普遍有所反映，在柴油機負載日益增強的今天，研究柴油機氣缸套熱負荷問題已是非常緊迫的任務了。 柴油機向高強化方向的發展使其零部件的機械負荷和熱負荷不斷增大，而柴油機的氣缸套是氣體壓縮、燃燒和膨脹的空間，并為活塞起導向作用，它的不正常變形將破壞活塞與缸套間的正常間隙，導致工作過程的惡化。隨著高速化、大功率與增壓技術的發展，柴油機的強化程度不斷提高勢必引起發動機熱負荷增加，從而使得氣缸蓋和氣缸套的溫度偏高，潤滑條件惡化，氣缸磨損加劇。因而，如何降低柴油機氣缸套的熱應力，則是提高其整機性能的重要研究課題。1.2燃機氣缸套熱應力研究的國外狀況 對于燃機氣缸套熱應

16、力的研究，根據溫度場和熱變形的研究方法，分為直接的實驗測量方法和數值計算方法。 首先介紹試驗測量方法的發展狀況，隨著測試技術的發展以與測量精度的不斷提高，人們越來越多地運用一些高科技手段以與先進的測量方法對缸套的溫度場和熱變形進行分析檢測，現代的測量方法已經由最初的硬度法、熱電偶法、易熔合金法等發展到目前的熱彈效應法、同位素法、氫化技術等。現代的測量方法不僅測量更加準確，而且測量的數據更加廣泛、更加靈活。但是實驗測試方法只能在整體樣機生產出來以后才能采用，無法在設計階作為一種測試設計的手段。而數值計算方法使得設計人員可以在設計階段對缸套有相對準確的了解，進而在設計階段便能解決一些熱負荷方面的問

17、題。由于這種方法更加符合現代設計方法的發展方向，所以它越來越受到人們的重視。對于數值計算方法應用的發展已有相當長的時間了，運用數值計算方法計算缸套的溫度和熱變形，一般要建立溫度數學模型（包括導熱微分方程和邊界條件的建立）。然后運動特定的數學計算方法建立具體的幾何模型，最后把邊界條件附加于具體的幾何模型上便可進行有效地計算。所以該方法是隨著導熱邊界條件計算和數值計算方法的發展而發展的。導熱微分方程是一廣義導熱定律的總結，而一直沿用至今的是傅里葉導熱微分方程。而邊界條件的確定方法發展到現在逐漸形成了兩種主要的方法，即以實驗測量為基礎來進行邊界條件計算的方法和以理論推導為基礎的邊界條件計算方法。對于

18、第一種方法，國外的研究機構都做出了大量工作，國外由于設備先進條件優越因此從事實驗研究的力度和廣度都要比國研究的大。對于第二種方法，是以傳熱學理論為基礎，根據缸套結構和冷卻方式運用數學推導的方法來計算獲得缸套的傳熱邊界條件。本次研究計算采用的是第二種方法，以380型水冷柴油機氣缸套的具體結構和冷卻方式為例，通過理論計算的方法來確定邊界條件。1.3 本研究的主要容與意義本課題的工作主要是利用有限元分析對380水冷柴油機缸套進行分析研究計算分析涉與到缸套的邊界條件確定、溫度場、熱變形、熱應力等，并利用計算結果針對改善強度、剛度等問題提出修改意見，從而(基于幾何結構優化)給出最佳改進方案。具體容如下：

19、1、總結前人曾經做過的關于氣缸套溫度場和熱變形的計算方法，通過總結和分析，提取出合理的適合本研究的研究方法和數據；2、根據傳熱學的知識，并針對380發動機的具體情況采用合適的公式分析氣缸套的邊界條件并確定其導熱方程與其求解條件，為下一步的有限元分析的準確計算提供保證；3、根據獲得的關于380發動機的氣缸套的尺寸參數利用Pro/E設計軟件繪制氣缸套的實體零件圖；4、將已經繪制好的380缸套零件圖導入有限元分析軟件ANSYS中，劃分合適的網格，并根據已經確定好的邊界條件利用該分析軟件進行關于溫度場、熱應力和熱變形的分析；5、通過分析，利用所得結果為氣缸套的優化設計提供科學的參考。第二章 氣缸套結構

20、設計2.1 氣缸套分類 早期的水冷式燃機，氣缸套與水套壁是鑄成整體的，不用氣缸套。氣缸的壁直接對活塞起導向作用，氣缸的外壁則受冷卻水的冷卻。發動機氣缸套有濕式和干式兩種，直接與冷卻液接觸的氣缸套是濕式氣缸套，而不直接與冷卻液接觸的是干式氣缸套。2.1.1 干式氣缸套干缸套不直接與冷卻液接觸，壁厚一般為13mm。干缸套的外圓表面和氣缸套座孔表面均需精加工，以保證必要的形位精度和便于拆裝。由于氣缸壁的磨損沿高度是不均勻的，通常最大的磨損總是發生在活塞位于上止點附近的部分，所以有的干套并不制成與氣缸一樣長，而只按部分長度制成。干缸套的優點是氣缸體剛度大，氣缸中心距小。能保證良好的水密封性，沒有穴蝕現

21、象。缺點是傳熱較差，溫度分布不均勻，容易發生局部變形；同時加工面多，加工要求高，拆裝要求也高。2.2.2 濕式氣缸套濕缸套則與冷卻液直接接觸，壁厚一般為59mm。缸套的外面有兩個保證徑向定位的突出的圓環帶，分別稱為上支承定位帶和下支承密封帶。缸套的軸向定位是利用上端的凸緣。為了密封氣體和冷卻液，有的缸套凸緣下面還裝有紫銅墊片。缸套的上支承定位帶直徑略大，與缸套座孔配合較緊。下支承密封帶與座孔配合較松，通常裝有13道橡膠密封圈來密封冷卻液。常見的密封結構形式有兩種，一種形式是將密封環槽開在缸套上，將具有一定彈性的橡膠密封圈裝入環槽；另一種形式是安置密封圈的環槽開在氣缸體上，這種結構對缸套的削弱很

22、小，但是缸體的工藝性較差，因此不如第一種結構應用廣泛。缸套裝入座孔后，通常缸套頂面略高出氣缸體上平面0.050.15mm。這樣，當緊固氣缸蓋螺栓時，可將氣缸蓋襯墊壓的更緊，以保證氣缸的密封性，防止冷卻液和氣缸的高壓氣體竄漏。濕缸套的優點是在氣缸體上沒有密閉的水套，因此鑄造方便，容易拆卸更換，冷卻效果也好；其缺點是氣缸體的剛度差，易于漏氣、漏水。濕缸套廣泛應用于柴油機上。2.2 氣缸套損壞現象和原因氣缸套損壞的現象有兩種：氣缸鏡面的磨損和氣缸套外壁的腐蝕。在設計時，必須根據一般燃機氣缸套在使用中產生的磨損和腐蝕現象，分析原因，采取相應的措施。2.2.1 氣缸鏡面磨損 使用實踐表明，氣缸鏡面的磨損

23、有以下幾種情況：正常磨損、磨料磨損、熔著磨損與腐蝕磨損等。正常磨損時活塞環與氣缸鏡面摩擦引起的，也稱為摩擦磨損。氣缸鏡面的最大磨損位置是活塞在上止點時第一環附近的位置，往往形成一個明顯的臺階。因為在此位置，活塞環對氣缸鏡面壓力最大，加上氣缸上端的溫度較高，金屬的抗磨性下降，同時，活塞在上止點時速度為零，油膜則不容易形成，所以氣缸鏡面下部的磨損也較大一些。磨料磨損是由于吸入空氣中含塵土較多，或者嚴重積碳而造成的。塵土是從上部吸入，積碳也是在上部形成，所以氣缸鏡面上部磨損比較大。機油時從下往上甩，硬微粒受重力影響作用，因而氣缸下部磨損比較顯著。磨料磨損的特征是從氣缸鏡面沿活塞運動方向均勻的平行直線

24、狀的拉傷痕跡。熔著磨損的原因主要是在潤滑不足的情況下而產生的。活塞和活塞環在氣缸鏡面中作高速往復運動。潤滑不足。工作面之間不能形成油膜，兩者摩擦面就有極其微小的部分金屬直接接觸，由于摩擦形成的局部高散熱不走而蓄積到一定程度時就會使二者熔融粘接。此時，如果油膜與時恢復，便可清洗和冷卻的作用，使這些微小熔著部分脫落而不擴展；如果油膜恢復遲緩，熔著就擴展，導致在很大圍發生異常的熔著磨損，亦即通常所謂的拉缸。熔著磨損一般發生在氣缸鏡面上部靠近第一環在上止點位置，局部的金屬熔融粘著并帶有不均勻不規則邊緣的溝痕和褶皺。拉缸現象也容易發生在未經磨合的燃機立即帶負荷工作的情況下產生。因為未經磨合的燃機氣缸鏡面

25、較粗，油膜不易形成，氣缸鏡面與活塞表面凸起處往往發生微小的金屬接觸，由此造成熔著磨損，甚至發生咬死現象。磨蝕磨損的原因是燃油中含有硫與其它雜質，或由于低溫啟動頻繁而引起。燃油有硫分解時，形成二氧化硫或者三氧化硫，與水接觸后就成為亞硫酸或硫酸，使氣缸鏡面在第一環止點處受到強烈的酸蝕，因而磨損量比正常磨損大12倍；同時，腐蝕剝落的金屬微粒在中部造成嚴重的磨料磨損。中部磨損增46倍。當冷水溫度過低時，磨損最高值移向下部。磨蝕磨損時，在氣缸鏡面上部可以看到有疏松的細小孔穴；若是鏡面鍍鉻，就會在上面看見白斑。2.2.2 氣缸套外壁的腐蝕氣缸套外壁的腐蝕和穴蝕現象，主要是由于化學作用、作用、液體的沖擊作用

26、和機械振動等引起的。其中比較嚴重的一種是在氣缸套的活塞承壓面或它對面的外壁上出現的蜂窩狀小孔群的穴蝕現象。幾年來隨著燃機向高速度、高平均壓力方向發展，穴蝕現象也日益嚴重，有時甚至氣缸鏡面的磨損還沒有達到磨損極限，氣缸套已被穴蝕擊穿而不能使用。產生穴蝕的原因在目前還沒有完全弄清楚，一般認為主要是由于氣缸套的震動和變形引起的。因為在一個工作循環中，活塞作用在氣缸的側壓力反復變化，這就促使氣缸套發生劇烈震動和變形。根據對某柴油機的測量，氣缸套振動頻率約為1200次/S，振幅約為0.0160.08mm。高頻率振動的結果，使氣缸套外壁的冷卻水與氣缸套不斷發生分裂和撞擊，冷卻水一旦與氣缸套分離，就會形成局

27、部真空，接著溶解在冷卻水中的空氣就會析出，而產生氣泡，同時冷卻水在低壓情況下也很容易蒸發形成氣泡，附著在氣缸套外壁上。當冷卻水返回來的時候，這些氣泡被擠入氣缸套外壁微小的針孔中。當氣泡受到高壓沖擊破裂時，就在破裂區附近產生壓力沖擊波，其值可達數十個大氣壓，并以極短促的時間沖擊針孔周圍的金屬，致使金屬剝落。在下一次沖擊時，已露出的新金屬表面又繼續被剝掉。如此反復，針孔就發展成穴蝕。2.3 氣缸套的材料和表面處理氣缸套的材料，除了必須具有足夠的機械強度和熱度之外，還必須有很好的耐磨性、耐腐蝕性、保油性和潤滑性，而其中最主要的是耐磨性。目前，氣缸套常用的材料有球墨鑄鐵、高磷鑄鐵和合金鑄鐵。以下是它們

28、的簡介：2.3.1 球墨鑄鐵 球墨鑄鐵具有致密強韌的珠光體基體和球狀分布的石墨，強度比普通鑄鐵高一倍；抗穴蝕性和耐磨性也都是比普通鑄鐵好。但是由于球化石墨表面積較小，其保油性比石墨片狀分布的普通鑄鐵差，在潤滑條件不良時，容易出現局部干摩擦而導致“拉缸”。為獲得較好的潤滑條件，希望石墨球粒的尺寸越小越好。球墨鑄鐵氣缸套經過適當的研磨和熱處理，可以得到良好的研磨表面。球墨鑄鐵的缺點是鑄造工藝比普通鑄鐵復雜，成本較高。2.3.2 高磷鑄鐵 一般鑄鐵中添加磷的成分達到0.30.8% 時稱為高磷鑄鐵，磷在鑄鐵中形成網分布的三元共晶體，從而提高硬度而獲得良好的耐磨性。其耐磨性與球墨鑄鐵氣缸套相接近，但工藝

29、性比球模型鑄鐵好，省工時，而且磷還可以改變耐腐蝕性能。高磷鑄鐵的缺點是：由于含磷量增多，材質變脆，而且容易產生縮孔，造成廢品。2.3.3 合金鑄鐵在鑄鐵中添加鎳、鉻、銅等合金元素后得到的各種合金鑄鐵。添加合金元素可以使材料組織均勻，珠光體致密，或促進高硬度的碳化物形成，進一步提高強度、耐磨性和耐腐蝕性。合金鑄鐵缺點是要消耗貴重金屬，熔煉鑄造工藝復雜，加工較困難，成本也高。 此外，制造氣缸套材料還有：含硼鑄鐵、稀土鈣鑄鐵、鈦釩鑄鐵、磷釩鑄鐵以與奧式鑄鐵等。在一些強化的燃機中，還采用氮化鋼來制造氣缸套。因為氮化鋼的耐熱性和耐腐蝕性都很好。在500時，氮化層的硬度下降很少，可以保證在工作溫度下的耐磨

30、性。 為了提高耐磨性、耐腐蝕性，還可以采用鍍鉻、淬硬、噴鍍金屬鉬或其它耐磨性合金等表面的處理的方法。氣缸套的材料和表面處理方法，要根據燃機的具體用途、強化程度、使用壽命和制造成本等要求來選擇。例如在使用中以磨料磨損為主的拖拉機、工程機械的燃機氣缸套，多數采用球墨鑄鐵、高磷鑄鐵或者合金鑄鐵等來制造；對于使用中以磨料磨損為主，同時又兼有腐蝕磨損的農用燃機的氣缸套，有時采用奧式鑄鐵；而磨料磨損比較嚴重，同時產生熔著磨損傾向又較大的車用強化燃機，特別是坦克燃機的氣缸套則多采用鋼來制造，并對其鏡面氮化或鍍鉻。2.4 氣缸套的結構設計和基本尺寸2.4.1 干式氣缸套干套是一個薄壁套筒。它的壁厚一般為23.

31、5mm，目前有減薄的趨勢，有的已經薄到1.01.5mm。鑲干套的氣缸壁厚=0.06D，D為氣缸直徑，最小壁厚=5mm。干套過去用D/1500左右的過盈壓入氣缸座合面，而后進行精加工。由于這樣壓合，更換起來不方便，目前多采用第二鐘動配合代替過盈配合，可以用手輕輕推入座合面而不需要壓入后再加工，使修理費用降低，但是制造過程中必須對氣缸體上的座孔進行研磨和對氣缸套的外圓進行精磨。同時，為了防止活塞“咬缸”時，氣缸套發生位移，要在氣缸套上端作出凸肩或者在氣缸套下端裝上彈性鎖圈來定位。采用前一種方式時，氣缸套凸肩超出氣缸體上端平面的高度要適當，使氣缸蓋襯墊壓縮后，既能保證氣體的密封能力，又不至于引起氣缸

32、變形；氣缸套的承壓面也應該平整，否則擰緊氣缸蓋螺栓時會引起氣缸變形。采用后一種方式可以避免擰緊氣缸蓋螺栓時由于支承端面的不平而引起氣缸的變形。2.4.2 濕式氣缸套 濕套的壁厚應該保證氣缸套有足夠的強度，尤其要有足夠的剛度，以減小變形和振動。一般燃機濕套壁厚=（0.0450.085）D左右，D為氣缸直徑。近年來有些高速柴油機為了避免因缸套的振動而引起的穴蝕，將濕套的壁厚增加到0.09D左右。 濕套與氣缸體利用上下兩個導向凸緣來定位以保證其正確位置，配合時應保證有一定的間隙，以免受熱卡死使濕套發生變形。為了便于安裝，下凸緣直徑D應略小于上凸緣直徑D。一般D=D+（24）mm，D為氣缸套的外徑。凸

33、肩外徑D要盡量小，以保證氣缸中心距盡量小。為了保證壓緊，一般D-D=68mm。在工作時，凸肩處的溫度較高，與氣缸水套體間應留下必要的膨脹間隙，一般=0.30.7mm，為保證壓緊密封，氣缸套凸肩頂面應略高出氣缸水套體頂面，一般=0.050.15mm。各氣缸公用一個氣缸蓋時，此值更要嚴格控制，各缸之間的差額不應超過0.03mm，否則擰緊缸蓋以后各缸變形不一致，這會影響密封性。凸肩高度不宜過大，因為凸肩處不宜得到冷卻；但也不能太薄，否則不僅容易變形，引起氣缸套失圓，而且影響凸肩強度。目前一般燃機氣缸套凸肩的高度為510mm。氣缸套上凸緣高度應盡量短些，因為在這段高度對氣缸壁冷卻較差，對第一環傳熱不利

34、，一般h=715mm。水套長度主要考慮當活塞在下止點時，活塞的密封部應能在冷卻水冷卻到的圍。氣缸套的總長度h，當活塞在下止點時允許從氣缸套中伸出1025mm。如活塞裙部有油環時，則不允許油環伸出氣缸套下緣。 為了保證濕套上端的水封，有些燃機在氣缸套凸肩下加一些紫銅墊片，或者凸肩結合面與氣缸水套體接合面采用磨合面。當氣缸水套體采用鋁合金制造時，鋁體本身較軟，通常可以不必加墊片或磨合。 水套下端的水封通常通常要用24個耐熱耐油的橡膠密封圈來來保證。密封槽的形狀必須與密封圈不同，使密封圈產生彈性形變而起密封作用。密封槽可以做在氣缸體上，也可以做在氣缸套上。從便于加工與安裝的觀點出發，一般多做在氣缸套

35、上，但此時必須注意環槽處的最小壁厚不能太小，一般應不小于45mm。此外，環槽的斷面應比密封圈的斷面大一些，因為橡膠是不可壓縮的，如果環槽不夠大，在安裝或受熱后，可能使氣缸套變形。2.5 實體繪圖軟件對氣缸套的繪制過程本節主要介紹用實體繪圖軟件Pro-E對氣缸套的繪制過程，通過由其繪制的缸套實體模型導入有限元分析軟件ANSYS，并為其熱應力等的分析提供前提。此節首先介紹Pro-E軟件的工作環境與其應用，然后介紹對氣缸套實體的具體繪制步驟。2.5.1 關于實體繪圖軟件Pro-EPro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數技術公司（Parametric TechnologyCorpora

36、tion，簡稱PTC）的重要產品。在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業界的認可和推廣，是現今最成功的CAD/CAM軟件之一。Pro/E獨樹一幟的軟件功能直接影響了我們工作中的設計、制造方法。Pro/E軟件拋棄傳統CAD軟件中的線框和表面模型而直接鑒于3D實體。使設計環境完全從2D或2D與3D混合狀態上升為純3D模式，在此最直觀的3D的設計環境中，設計者能更好的捕捉自己的設計意圖和激發設計靈感。Pro/E的3D實體鑒于特征造型技術。在Pro/E中，所面向的對象包括幾何特征、非幾何特征、零件模型、裝配模型、模具模型、加工模型等等，設

37、計人員通過對這些對象所具有的在屬性、存在方式和存在狀態的準確把握來得到理想中的模型。Pro/E中所有的對象都是建立在單一數據庫中。并且此數據庫是唯一的、完整的，因而保證了在Pro/E中進行的任何設計也都是全相關的。在整個設計過程中的任何一處發生參數改動，可以反應到整個設計過程中的相關環節上。設計師可以依靠此功能完全拋棄傳統的工作方法，實現零件設計、模具設計、裝配設計、加工設計等過程同時進行。Pro/E的3D特征實體是全參數化的，具有自適應性和智能性。通過完備而準確的參數和資料來驅動實體，產品模型的每一個設計尺寸都對應一個參數，設計人員可以通過命令或者關系式的形式來建立各參數之間的關系，以得到所

38、要求設計的模型。Pro-E的設計準則與方法介紹如下：一、設計準則：1、確定特征順序；2、簡化特征類型；3、建立特征的父子關系，解決關聯問題；4、適當采用特征復制操作。二、建模過程：1、分析零件特征，確定特征創建順序；2、啟動零件設計方式；3、創建草繪特征。它是其它特征的父特征，必須注意；4、確定參考平面；5、繪制其它構造特征；6、進行修改和尺寸標注；7、保存圖形。2.5.2 氣缸套實體的繪制過程 本節以125型濕式氣缸套為例，利用Pro-E實體繪圖軟件，根據平面三視圖繪制出其實體結構，基本繪制過程如下： （1）、分析圖紙，確定繪制特征與整圖的最佳繪圖方案。通過圖形分析，確定用旋轉特征進行實體繪

39、制； （2）、打開PRO-E，新建零件文件，進入零件設計模式； （3）、選擇旋轉特征創建基礎基本特征。選取主菜單命令“插入”“旋轉”，進入旋轉特征創建； （4）、旋轉特征中設定的各項參數如下圖2.1所示圖 2.1 參數設置（5）、選擇草繪平面（此處選擇front面），繪制旋轉截面；如下圖2.2所示： 圖2.2草繪截面（6）、單擊完成特征按鈕，完成旋轉特征。得到如下實體模型，如圖2.3所示：圖2.3 125缸套實體圖 （7）、保存文件。 至此，用Pro-E繪制氣缸套實體圖的工作就完成了，通過實體圖的繪制為以后導入有限元分析軟件實現對其熱應力的分析提供前提基礎。2.6 提高氣缸套使用壽命的有關措施

40、為了提供濕套的使用壽命，除了選擇適當材料與采取適當的表面處理以與正確設計外，還應當采取一系列有效地措施：（1）、提高氣缸套孔幾何形狀的精度，保證與活塞組良好的配合，減少漏氣，因而可減小氣缸套的磨損。（2）、盡可能減小活塞與氣缸套之間的間隙，以減少活塞隊氣缸套的沖擊，因而減小氣缸套的振動。（3）、減小往復運動件的重量以減小往復慣性力。這樣，可以減小活塞對氣缸套的側壓力，也可以減小氣缸套的振動。（4）、控制冷卻水溫度在80以上。因為燃料在燃燒過程中形成的酸性化合物，在氣缸溫度較高時，就處于氣體狀態，可以隨廢氣排入大氣；若溫度低于140，這些酸性化合物就容易凝結在氣缸工作表面，加劇腐蝕磨損。（5）、

41、在冷卻水中加入抗穴蝕的添加劑以改善抗穴蝕能力。一般采用的添加劑有重鉻酸鹽添加劑和乳化液、乳膠液添加劑等。這些添加劑都有良好的抗穴蝕能力。（6）、正確的選擇和使用空氣濾清器，并定期保養，以減少磨料磨損。（7）、嚴格控制所用燃料的含硫成分，以減小磨蝕磨損。（8）、選擇粘-溫特性比較穩定的機油，以保證油膜的形成，同時，機油應具有一定的耐酸性或添加堿性添加劑，以減小腐蝕性磨損。此外，機油使用過一段時間后會引起老化，需要定期更換。（9）、通過水質處理以防止水的化學腐蝕，同時通過正確設計水道，減小水的沖蝕。（10）、有些燃機在冷卻水套中加以鋅棒，將鋅棒固定在氣缸體水套的工藝螺堵上，利用電化學原理，使腐蝕集

42、中在鋅棒上，從而避免氣缸套與水套壁的電化學腐蝕。第三章 氣缸套溫度場計算的導熱方程與其邊界條件柴油機的氣缸套壁直接受到高溫高壓燃氣的作用,燃氣的最高溫度可達2 500 左右,而外側又被冷卻水包圍,在如此大的外壁溫差下,氣缸套將會產生一定的熱應力與熱變性。溫度場是研究熱負荷的基礎，因此,研究氣缸套的溫度場對柴油機的安全運行有重要意義。建立柴油機缸套溫度場計算的數理模型,通過數值計算得到氣缸套的溫度場是一種重要的獲得溫度場的途徑。建立柴油機缸套溫度場計算的數理模型,通過數值計算得到氣缸套的溫度場是一種重要的獲得溫度場的途徑。有限單元法和有限容積積分法是兩種不同的方程。3.1導熱微分方程與其邊界條件

43、的選取3.1.1 導熱微分方程發動機工作時氣缸氣體的溫度與壓力都是變化的,這種溫度的變化頻率很高,與發動機轉速成正比,并且僅僅在受燃氣沖擊的零件表面幾毫米薄層是變化的,溫度變化的振幅較小。因而在柴油機穩定工況下,缸套的熱傳導可以看做是準穩態導熱。物體部某一瞬時所有點的溫度分布稱為溫度場，其中不隨時間而變化的溫度場稱為穩態溫度場，這時物體部的溫度分布僅為空間坐標的函數，即:t=f (x, y, z).（1）而隨時間而變的溫度場稱為非穩態溫度場，溫度分布表示為:t=f（x,y,z,t）.（2）發生在穩態溫度場中的導熱現象稱為穩態導熱，而發生在不穩態溫度場中的導熱稱為非穩態導熱。假設材料物性為常數且

44、各向同性，在直角坐標系中取邊長為dx, dy, dz的平行六面體，取為導熱系數，則:dQx=-dydz.（3）dQ=-dydz（4）于是得出：dQ-dQ=dxdydz.（5）上式即為在x方向導入微元體的凈熱流量Q： 同理，在y，z方向導入微元體的凈熱流量也可以得出。因此三個方向上導入微元體的凈熱流量為dQ=（+）dxdydz設導熱體中有均勻分布的熱源，表示單位體積的導熱體單位時間所流出的熱量，即熱源強度，則微元體在單位時間又得到熱量:dE=cdxdydz式中c,和分別代表比熱容、密度和時間，引入物性參數=（c），稱為擴散率（或者導熱系數）并根據能量守恒方程得到具有熱源的三維非穩態導熱微分方程式

45、：=（+）+（6）若導熱體不存在熱源，可以簡化為：=0=（+）.（7）上式指出了溫度的變化率些與熱擴散率成正比。熱擴散率反映了導熱程中材料的導熱能力(即值)與沿途物質儲熱能力(即c值)之間的關系。導熱系數越大，且單位體積的熱容量越小(本身蓄熱能力或放熱能力越小)的材料，擴散熱量的能力越大，熱擴散率越大。對于穩態溫度場則有（+）=0（8）本文計算中采用了（7）式和（8）式作為計算氣缸套溫度場與其熱變形的熱力學基礎，然后利用接下來要解析的邊界條件來求解該微分方程。3.1.2 邊界條件的選取 通常邊界條件可以分為三種： 第一類邊界條件：給定導熱體各邊界上的溫度分布； 第二類邊界條件：給定導熱體各邊界

46、上的熱流密度； 第三類邊界條件：給定流體溫度t和對流換熱系數，對于本研究的380氣缸套來說，其周圍的介質是高溫燃氣和冷卻水。 對于濕式氣缸套,熱量先由高溫燃氣通過對流和輻射傳給氣缸壁側表面,由于氣缸壁的側表面以導熱方式傳給氣缸壁的外側表面,最后通過冷卻水的對流把氣缸壁的外側表面的熱量帶走。為了簡化分析過程,主要考慮熱對流作用,熱輻射的影響也計入對流換熱之中。 因此，氣缸套燃氣側、冷卻水側與機架側采用第三類邊界條件，缸套下部用的是第一類邊界條件。3.2 缸套溫度場計算在第三類邊界條件中，必須給出換熱系數和介質溫度才能對氣缸套與周圍介質之間的換熱進行計算。缸傳熱過程極其復雜，各種傳熱現象(如導熱、

47、對流、輻射)的耦合作用造成理論分析和實驗觀測都困難，許多機理問題至今未能解決。一般情況下，工質傳向氣缸壁的熱量可以視為輻射和對流過程的綜合過程，并以對流為主，但是不能略去輻射部分的影響，對于一個循環的熱流量，輻射換熱量還不到全部換熱量的十分之一，因此，可將輻射換熱計入對流換熱項一并考慮。表一給出了380柴油機的主要技術參數。表一 380柴油機的主要技術參數表參量數值1h功率/kw20.61h功率轉速/(r*min)2800壓縮比18氣缸直徑D/mm80活塞行程S/mm803.2.1 燃氣側的邊界條件 燃氣側采用第三類邊界條件，包括對流換熱系數和溫度。采用文獻4的公式計算氣缸套燃氣側的對流換熱系

48、數： a=1.95* 式中: C-活塞平均速度，m/s； p缸氣體壓力，0.1MPa； T缸氣體溫度，K。瞬時工作壓力p 可以從柴油機測得的示功圖上直接讀出,而缸工質的瞬時溫度根據狀態方程計算得到。然后用數值積分法求出燃氣平均溫度與平均換熱系數。當S/ D (行程/ 缸徑) 發生變化時, 缸體表面穩態傳熱邊界條件相對值的分布形態才發生相應改變,因為當S/ D 增大時,燃氣傳給活塞、缸蓋的熱量減少,即傳入氣缸體的熱量相對增加。柴油機缸體表面穩態傳熱邊界條件有如下分布規律：a(h)=a(h)(1+k)eT (h)=a(h)(1+k)e式中：h汽缸壁上的點距上止點的距離；=h/S(01)，k=0.5

49、37(S/D),k=1.45 k在活塞下止點，活塞頂一下的取為固定溫度380K。3.2.2 缸套與機架的邊界條件 缸套與機架間的換熱系數由缸套與機架間的接觸熱阻決定。接觸熱阻的分析計算相當復雜,實驗研究也很少提供實用可靠的計算公式,接觸熱阻值取決于材料性質、接觸面粗糙度和表面壓力。對于接觸熱阻的分析計算,因為目前尚缺乏滿意的計算公式。針對缸套的幾何形狀,可以將凸肩頂面、缸套下端面作絕熱處理。3.2.3 冷卻水與缸套外側的邊界條件冷卻水與缸套外側也按照第三類邊界條件計算，對流換熱系數按實際情況選為10004000W/(m·K)；冷卻水溫度T取定值為343K。第四章 氣缸套熱應力和熱變形

50、的有限元模型的建立4.1 數值計算方法的分析與選擇 分析氣缸套的求解方法通常有分析解法、數值解法和模擬解法三大類。在這些方法中，分析解法所獲得的解比較精確，但只限于簡單幾何形狀的物體;數值解法常用于對復雜形狀物體的溫度場求解;模擬解法所獲得的解通常比較粗糙，此外建立實驗設備也比較復雜。因此，對于本研究而言，必須采用數值計算方法。 常用的數值計算方法有有限元法、差分法、邊界元法等，目前應用最多的是精度最高的有限元法。有限元法也叫有限單元法（finite element method, FEM），是隨著電子計算機的發展而迅速發展起來的一種彈性力學問題的數值求解方法。有限元法最初的思想是把一個大的結

51、構劃分為有限個稱為單元的小區域，在每一個小區域里，假定結構的變形和應力都是簡單的，小區域的變形和應力都容易通過計算機求解出來，進而可以獲得整個結構的變形和應力。事實上，當劃分的區域足夠小，每個區域的變形和應力總是趨于簡單，計算的結果也就越接近真實情況。理論上可以證明，當單元數目足夠多時，有限單元解將收斂于問題的精確解，但是計算量相應增大。為此，實際工作中總是要在計算量和計算精度之間找到一個平衡點。經過半個多世紀的發展和在工程實際中的應用，有限元法被證明是一種行之有效的工程問題的模擬仿真方法，解決了大量的工程實際問題，為工業技術的進步起到了巨大的推動作用。但是有限元法本身并不是一種萬能的分析、計

52、算方法，并不適用于所有的工程問題。對于工程中遇到的實際問題，有限元法的使用取決于如下條件：產品實驗或制做樣機成本太高，實驗無法實現，而有限元計算能夠有效地模擬出實驗效果、達到實驗目的，計算成本也遠低于實驗成本時，有限元法才成為一種有效的選擇。對于本研究中氣缸套溫度場熱應力與熱變形分析，采用有限元法比較合適。而且有限元法在溫度場和熱變形的數值計算之間可以進行很方便的數據轉換，這對于計算分析比較方便可靠，雖然其計算量大，但隨著計算機速度的提高，這些問題已得到解決。本研究首先采用Pro-E實體繪圖軟件對380濕式氣缸套進行1/2實體建模，然后導入有限元分析軟件ANSYS，通過加載前面分析的邊界條件，

53、對氣缸套的熱應力和熱變形進行建模分析，通過軟件的分析結果，實現預期目標。下節是關于實體繪圖軟件Pro-E和有限元分析軟件ANSYS建模過程的簡單介紹。4.2 氣缸套有限元模型的建立本研究關于氣缸套分析模型的建立大體可以分為以下幾步：（1）、分析圖紙，確定繪圖方案；（2）、繪制實體圖；（3）、導入ANSYS，選擇單元類型并劃分合適網格； （4）、加載邊界條件并求解； 最后，通過建模分析進行結果評價分析，提出關于優化氣缸套結構的方案，并為以后研究氣缸套熱負荷提供參考。下面將介紹關于本研究應用的實體繪圖軟件和分析軟件。4.3 應用軟件的介紹與其具體建模過程4.3.1 Pro-E實體繪圖軟件簡介與具體

54、繪制結果如何用Pro-E對缸套進行實體繪制的方法在前面已經介紹，此處不再贅述本研究采用PRO-E零件繪制模式，用旋轉特征即可畫就。380濕式氣缸套的1/2實體模型繪制結果如圖4.1和圖4.2所示：圖4.1 缸套1/2模型實體（1）圖4.2 缸套1/2模型實體（2）4.3.2 ANSYS有限元分析軟件簡介與具體建模結果一、ANSYS有限元分析軟件簡介ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor,

55、 IDEAS, AutoCAD等， 是現代產品設計中的高級CAD工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模與網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以與多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析與優化分析能力； 后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明與半透明顯示（可看到結構部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。ANSYS軟件主要特點：主要技術特點： 唯一能實現多場與多場耦合分析的軟件 唯一實現前后處理、求解與多場分析統一數據庫的一體化大型FEA軟件 唯一具有多物理場優