毕业设计论文发动机缸盖的改进设计.docx
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毕业设计论文发动机缸盖的改进设计
各专业完整优秀毕业论文设计图纸
摘要
本文通过使用先进的计算机辅助设计手段,对奥迪发动机缸盖进行改进设计,目的是改进该发动机的使用性能。
其中主要内容是对奥迪发动机缸盖局部进行改型,将原来的扁球形燃烧室改成楔形燃烧室,其进排气道形状也随燃烧室的改变而相应改变。
另外,经过现场测绘,熟悉了解奥迪发动机缸盖的生产加工工艺及受力特点,利用AUTOCAD软件绘制的奥迪发动机缸盖的二维工程图,通过UG软件对改进设计后的奥迪发动机缸盖的局部改进区域建立实体模型,并提出一些关于复杂实体建模的观点,然后对改进后的进气道用UG的PRT文件通过转换成IGS文件,导入Gambit软件,并用Gambit软件进行网格划分,最后将Gambit的MSH文件导入Fluent软件,用Fluent软件对改进前后进气道内气体的流速进行CFD仿真模拟,并进行比较。
关键词:
发动机缸盖,UG建模,网格划分,CFD
ImprovedDesignfortheHeadofAudiEngine
ABSTRACT
Improveddesignfortheheadofaudiengineisconducted,withthesemisphericalcombustionchamberchangedtocombustionchamberofwedgeform,andthefigureoftheintakeductandtheexhaustductarealsochangedwiththecombustionchamber,bymeansoftheadvancedCADtechniques,inordertogetbetterperformanceofthewholemachine.
2DdraftingisdrawnbyAutoCADaftermappingonsite,and3DmodelisestablishedbyUG.Atthesametime,someviewpointsaboutmodelingarebroughtup.ChangethePRTfileofimprovedintakeducttotheIGSfile,leadtoGambit,andmakeitplotthegrid.Finally,changedtheMSHfileofGambitleadtoFluent,andusetheCFDmethodanalyzethevelocityoftheairinimprovedandoriginalintakeduct,comparewitheachother.
Keywords:
cylinderhead,UGmodeling,plotthegrid,CFD
奥迪发动机缸盖的改进设计
施佳伟061103108
0引言
气缸盖是用来密封发动机机体缸孔的重要部件,与缸套共同形成燃烧室,气缸盖上有很多孔道,分别是水道,承担分配各缸冷却水的分布冷却;油道,是润滑发动机上部零部件的主要通道;气道,分别是进气道和排气道。
缸盖是汽车发动机的重要零部件之一,形状十分复杂,它还作为燃烧室的一部分承受着很高的热负荷与机械负荷,其中的冷却水腔与进排气道内分别有液体与气体的流动与传热。
随着发动机强化程度与性能的提高,对缸盖也提出更高的设计要求,因此,必须研究应用现代设计方法进一步提高其设计质量。
缸盖设计是发动机设计的重要组成部分,其设计方法已由传统的经验设计发展为计算机辅助设计,设计方式已由二维绘图发展为三维造型设计,分析手段已由简单的测试分析发展到各种具备较高精度的数值模拟计算。
近年来,国外除了进行较多的实际测试研究外,还发表了较多的关于缸盖设计计算的研究文献,表明了这一研究领域受到重视的程度。
目前,研究的重点主要集中在缸盖的三维造型设计,流动模拟计算与有限元分析,以及冷却水腔的优化设计等方面。
有限元分析已是应用广泛且较为成熟的现代设计方法之一,但应用于发动机缸盖这类零部件分析温度场、应力和应变分布时,由于不规则的且与传热相关的边界条件难以精确给出,因而仍难达到较高的精度与实用化的程度。
真正解决问题的途径是从整体与系统的观点出发,实现综合性的数值模拟计算(包括冷却水腔内的流场与温度场,气道内的流场与温度场、缸盖温度场、应力与应变分布等)以反映多种因素的相互影响与相互作用,而其中的关键技术主要在于实现较高精度的流动与传热数值模拟,精确描述复杂的几何形状与准确确定复杂的边界条件。
1总体设计
1.1发动机缸盖的工况及设计要求
气缸盖的作用是密封气缸,并与活塞共同形成燃烧空间,并承受高温高压燃气的作用。
为保证气缸盖与气缸套之间的密封,气缸盖还要受到很大的螺栓预紧力(一般为爆发压力的3~4倍);气缸盖各部分温度很不均匀,如缸盖底面燃烧室部分(称为火力面)温度最高,而冷却水套部分温度较低,进气道和排气道温度也不相同,因此,气缸盖的机械应力和热应力很大。
气缸盖应当满足下列要求:
1)气缸盖应具有足够的强度和刚度,工作时缸盖变形最小并保证与气缸的接合面和气门座的接合面有良好的密封。
缸盖变形过大会加速气门座磨损、气门杆咬死和气缸密封遭到破坏,造成严重漏气、漏水和漏油,使柴油机无法工作。
2)要根据混合气形成和燃烧方式布置出合理的燃烧室形式,气门和气道布置合理,力求使内燃机性能良好。
3)结构力求简单、铸造工艺良好;冷却合适,缸盖温度场分布均匀,尽可能减小热应力,避免气门座之间形成裂纹。
1.2发动机缸盖材料选择
根据工作条件,气缸盖应该用抗热疲劳性能好的材料铸造。
材料的导热性愈好,膨胀系数愈小,高温疲劳强度愈高,愈能承受热负荷的反复作用。
气缸盖中热应力很大。
当变形受到限制时,各种材料中产生热应力的大小可以用热应力特性数
表示,其中
为材料的线膨胀系数,E为弹性模数,
为导热系数。
为了比较材料的热强度,用材料的拉伸极限强度与
相比而得到热强度系数。
特性数
愈小,热应力愈小,热强度系数
愈大,热强度也愈大。
如图1.1所示,铸铁、铝合金和钢三种材料的热强度系数对温度的变化曲线。
由图可知,当温度低于250℃时,铝合金具有相当高的热强度,当温度在300℃左右时,铸铁、铝合金和钢的热强度系数差不多。
当温度高于300℃时,铸铁和钢的热强度比较好。
当温度达到400℃时,铸铁的热强度也迅速下降。
因此铸铁气缸盖的工作温度不应超过375~400℃,铝合金气缸盖的工作温度不应超过220℃。
汽油机常用铝合金铸铁制造气缸盖。
本次论文文涉及的奥迪发动机缸盖使用的材料就是铝合金。
图1.1气缸盖材料热强度系数
1.3发动机缸盖结构形式选择
水冷式汽油机的气缸盖有整体式、分块式和单体式三种。
当缸径
时,一般多用整体式气缸盖,它的零件数少,结构紧凑,制造成本较低。
如果选用单体式气缸盖在结构上就比较困难,因为各部分壁厚与泥芯截面尺寸受到造型和浇铸条件的限制而不能按缸径比例缩小,这样就不能在保证有适当的壁厚和泥芯尺寸的条件下得到既有足够的气道面积又有先进的气缸中心距。
当
时,一般都用单体式(一缸一盖)气缸盖。
这样可以使铸造废品下降,尤其可以供给同一系列而缸数不同的机型通用,便于组织系列化的批量生产,降低制造成本,且使维修方便。
当
时,采用单体、整体和分块(每两缸或三缸一盖)或者兼而有之,视各厂传统习惯和其它条件而定。
左右是采用分块式气缸盖的下限值;
左右是采用单体式气缸盖的下限值;但在产品品种比较单一且产量很大时,由于铸造技术设备比较完善,加工生产线负荷率较高,即使缸径较大,还是以整体式气缸盖比较经济。
本次设计缸径为80mm,所以采用整体式缸盖。
1.4发动机缸盖燃烧室的布置
燃烧室形状是决定燃烧速度,防止不正常燃烧的主要因素,各种改善燃烧的措施也大多需要在燃烧室中实施。
燃烧室设计是决定汽油机性能的重要一环,因此,对燃烧室要求是多样的,既要其动力性、经济性好,也要工作轻声平稳,排气污染小,同时还希望结构简单,制造方便。
此次设计尝试把原来的扁球型燃烧室,改成楔型燃烧室如图1.2所示。
图1.2a改进后的楔型燃烧室
图1.2b改进后的楔型燃烧室
楔型燃烧室结构教紧凑,火焰传播距离较短;要求一定的挤气面积,并且末端混合气冷却作用较强,故压缩比可达9.5~10.5;气门倾斜布置,气门直径较大,气道转弯小,所以冲气性能较好。
这种燃烧室有较高的经济性、动力性。
火花塞在楔形高处,对着进排气门之间,利于用新气扫除火花塞附近的废气,低速、低负荷性能稳定。
但也使初期燃烧速度大,
较高,工作粗暴,NO
排出量较高。
由于挤气面积内的熄火现象,废气中HC的含量较多,故需控制挤气面积。
由于楔型燃烧室进、排气门只能单行排列,采用多气门机构困难,此次的奥迪发动机为两气门单行排列,所以改进后不影响气门布置。
1.5发动机缸盖的进排气道布置
进排气道的设计对内燃机性能有很大的影响,进气道影响进气阻力和充气效率,排气道影响排气阻力和废气能量的利用(如废气涡轮增压)。
为了气门驱动方便,当采用两气门(一进一排)时,一般都将气门中心线的连接线放在平行曲轴轴线的方向。
这时,气道可以有四种布置方案,如图1.3所示。
方案a气道最短,气流阻力最小,但只适用于单缸。
这种方案若用在多缸机上时,气道无法从两缸之间引出。
方案b也只能用于单缸或双缸。
在两缸以上的内燃机中,方案c、d应用最广。
对于这款奥迪汽油机,为了使发动机设计紧凑,以提高充气系数,采用将进排气通道布置在气缸同侧的第三方案,将火花塞布置在另一侧。
图1.3气道布置方案
1.6发动机缸盖螺栓布置
气缸盖螺栓是气缸盖与气缸体之间的联接件,它的位置和数量对于气缸盖和气缸体的受力情况、气缸盖与机体之间接合面密封的可靠程度、以及气缸套的变形大小都有很大的影响。
首先,螺栓数目要足够,以保证压紧均匀,减小局部变形,密封可靠。
增加螺栓数目,每个螺栓直径可以相应减小,相对于气缸盖的柔性变大,故能减小螺栓上载荷的交变分量,因而相应地可降低预紧力,同时两螺栓间的距离减小,对气缸垫片的压紧力更加均匀,减少了冲垫漏气的可能性。
但是,螺栓的布置又受到气道、推杆孔、水孔和气缸中心距等具体结构的限制,所以螺栓数目也不能随意增多。
这个奥迪发动机为四缸一盖的整体式缸盖,在每缸周围使用了4个螺栓,总计10个。
其次,螺栓的布置应尽量相对于气缸中心线均匀分布,否则可能由于气缸受力不均引起局部变形,各螺栓中心连线最好沿气缸周边切线布置,以增加密封能力;各螺栓所分摊的压紧面积要基本相同,以保证压力均匀。
再有,气缸盖螺栓的预紧力要足够,以保证必要的密封压力,防止长期工作后发生松弛。
但预紧力过大会使机体、气缸盖过度变形,反而损坏密封。
经验证明,当每缸周围所有螺栓的总预紧力等于作用在一缸气缸盖上最大气压力的3倍以上时,密封的可靠性才能得到较好的保证。
气缸盖螺栓受力很大,一般都用优质中碳钢45或合金钢40Cr等制造,并经调质处理。
本次奥迪发动机缸盖使用的是M12螺栓,根据厂方试验得出的结论,预紧力矩为
。
2发动机缸盖的实体建模
本次毕业设计的奥迪发动机缸盖实物由上海工程技术大学提供,一些基本的数据是由校方提供,其余的尺寸数据经过现场的实测后,利用AutoCAD软件绘制出二维工程图。
在此基础上,使用CAD软件将平面图转化为三维的立体数字模型。
2.1CAD技术与平台构建
CAD(computeraideddesign)技术是随着计算机及外围设备和软件的迅速发展而形成的一门新兴技术,它通过交互式图形显示,实时构造、编辑、变换及修改并存储各类几何及拓扑信息,利用相关应用程序进行过程计算分析,并对设计结果进行模拟、优化、利用图形处理和动画技术对模型进行仿真,最后自动绘图并输出图纸、数据、设计原型等各种形式的设计结果;它是一种利用计算机辅助设计快速、高质、方便、低成本完成产品设计任务的现代设计技术。
本次建模工作使用的是基于Windows平台,由美国EDS公司开发的Unigraphics(简称UG)软件,它是一款集CAD/CAM/CAE于一体的高端专业软件,它的功能覆盖整个产品开发过程:
从概念设计、功能工程、功能分析到制造,广泛运用于航空航天、汽车、机械和模具等工业领域。
其用户界面友好,使用方便,具有良好的扩充性和移植性。
2.2参数化造型
所谓参数化是指在设计特征、零件和装配件时基于决定设计物理形状的参数造型技术。
修改某一个参数值就能改变相应的特征和所有参考该特征的特征。
参数化技术已不仅仅包括三维实体造型、装配模拟、加工仿真、NC自动编程、有限元分析等常规的功能特征,同时还有模具设计、板金设计等专有特征,实现了面向制造的设计、面向装配的设计、逆向工程、并行工程等先进的设计方法和模式。
其中单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。
利用参数化概念开发出来的产品,能将设计到生产的全过程集成在一起,让所有用户能够同时进行同一产品的设计制造工作,即实现所谓的并行工程。
其特点表现在:
1)真正的全相关性,任何地方的修改都会自动反映到所有相关的地方;
2)具有真正的管理并发进程、实现并行工程的能力;
3)具有强大的装配功能,能够始终保持设计者的设计意图;
4)容易使用,可以极大地提高设计效率。
2.3气缸盖建模方案
气缸盖是一个非常复杂的零件,它不仅承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷,同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。
所以,就其结构方面来说,是极其复杂繁琐的。
从数字建模的角度来看,气缸盖含有许多特征,这些特征有的是关联的,有的是不相干的;有的是对称的,有的又是有差异的。
如何运用计算机CAD软件的优势,把这些看似零乱但又含有一定规律的特征,用计算机的数字语言来表达出来,的确是一件庞大而又需要耐心的工程。
在这些错综复杂的特征中,要想一五一十的去表达每一个特征,需要的不仅仅是扎实的建模功底和良好的建模技巧,一个优秀的建模思路能够令整个建模过程事半功倍。
要准确表达气缸盖这样一个复杂的模型,关键在于处理每个特征间的关系,确定各特征是否相关,复杂问题怎样分解成若干简单小问题,这些思考将贯彻整个气缸盖的建模过程。
本次设计的气缸盖建模主要是对发动机的局部区域进行建模,主要是对燃烧室、进排气管等,本次论文研究的部分进行建模,对于发动机缸盖上部的凸轮轴架等本次论文不做重点研究,所以也不进行建模。
2.3.1气缸盖主体
气缸盖主体的建模使用AutoCAD格式导入曲线,进行拉升的方法,如图2.1所示。
本次研究的奥迪发动机缸盖的四个汽缸,左右两两对称,所以我在建模时,只进行其中一半的缸盖建模,另一半与之相同。
由于在建模之前已经完成了二维图纸的工作,因此在进行三维建模时可以通过导入AutoCAD格式的二维图纸来减少在UG软件中的草图工作量。
但在导入过程中容易发生类似丢失线条的问题。
经过实践,发现如果在导入时按照以下步骤进行,则一般都可以顺利导入。
图2.1通过AUTOCAD导入后的拉升建模
要将AutoCAD格式的图纸导入UG可按以下步骤:
1)将图纸修改,留下所要导入的线。
并将基点移动到靠近零点处,如图2.2所示。
图2.2将导入的线的基点移动到靠近零点处
2)将所有的线条全部放到1层上。
并保存为DXF文件格式。
3)用UG自带的转换器将DXF格式转成PRT格式。
4)在UG软件中打开转好的PRT文件即可。
首先,在导入的过程中应当注意:
在建模之前就应该把零件的几何要素考虑周全,一次性地将所有需要导入的二维图纸一并导入,否则当零件建模工作进行到一半时,再需要导入二维图纸中的其它几何信息,将很难保证前后分别导入的内容在UG软件中的定位。
其次,是否一定得使用AutoCAD格式导入文件,这得看具体情况具体分析。
如果草图牵涉的几何要素确实很多,那么可以通过这种方式来导入所需的几何要素,但是必须注意到:
当使用AutoCAD格式导入几何要素后,这些要素之间没有任何约束,包括尺寸约束和几何约束,所以为了保持整个建模过程的参数化,需要重新对引入的几何特征进行约束。
因此,在导入前应该对导入后的工作量进行评估,考虑是否通过直接绘制草图更加方便、高效,然后再确定绘制草图的方案,或者可以通过先期使用AutoCAD格式导入与后期进行手动绘制和修改相结合的方法去实现。
另外,从AutoCAD格式导入的曲线,倒圆角之类的特征都已经被包含在其中。
因此,直接从导入的曲线拉伸后所得到的实体已经为倒好圆角之后的实体。
这样看似方便,却会为以后的操作带来很大的隐患。
首先这样的圆角不是利用特征建模建立出来,虽然是参数化的,但不利于修改,即若要修改也得进入草图后,这样就比较麻烦了。
其次,拉伸后的实体往往还需要进行拔模斜度的处理或者进行其它相关倒圆的操作。
拉伸出包含圆角的实体因为面比较为复杂而很难完成这类后续的操作。
因此,利用导入的曲线所作的草图还需要进行修改,即将二维图纸中已有的圆角去除,变为直线,然后再进行相关的操作。
在使用UG的转换器将DXF文件转成PRT文件时有一个地方要特别注意,因为此时UG默认的单位是英寸,而我们通常在AUTOCAD使用的单位是毫米,所以如果不做设置,将来转成的PRT文件里的单位将变成英寸,导致尺寸错误。
所以我们转换时要将Edit里的settings进行设置将Inches改成Millimeters,如图2.3所示。
图2.3a文件转换器的设置
图2.3b文件转换器的设置
2.3.2燃烧室
采用的是画草图,对其进行拉生,再进行倒角、倒边处理成型的方法,如图2.4所示。
图2.4a画草图
图2.4b对草图进行拉升
图2.4c倒角、倒边的处理
2.3.3进排气道
采用做多个定位的基准面,在基准面上画草图,加扫描成型的方式,如图2.5所示。
图2.5a做多个定位的基准面,在基准面上画草图
图2.5b扫描成型
2.3.4最后成型
使用主体,燃烧室、进排气道,和其他的一些部件,做布尔运算获得,如图所示2.6。
图2.6a最后成型的建模
图2.6b最后成型的建模
2.4发动机缸盖UG建模的总结
2.4.1复杂形状实体的建模总结
对于气缸盖本身来说就是一个很复杂的零件,那么通过CAD软件把它转化为数字模型必定也是件不简单的事情。
开始三维建模时,便感到满头雾水、没有头绪。
根据本次建模的体会,本文认为较好的办法是先对所要建的实体仔细地进行观察。
认真地将模型分解成易于建模的几部分,然后再逐个进行,再用布尔运算命令将其合并,最后再进行类似打孔、导园角等的操作来完成整个实体。
其中的关键就是如何很好的将模型分解,在心中形成清晰有序地建模方案。
根据自己的体会,总结出以下一些原则:
在同一轴线上的可划分在一起;可大体利用相同命令完成的可划分在一起;使用同一基准面的可划分在一起。
这些原则需要模型的具体情况灵活运用,不必拘泥。
对于一个零部件可能有好几种不同的划分方法,如何得出其中的最优方案,还需要依靠多多的实践。
关于本次建模的划分方案,可以参照前文关于建模方案的叙述。
2.4.2修改已建立的实体模型的总结
产品的设计需要修改的可能性很大,不可能一次便设计成型。
对于气缸盖来说,其不仅仅是具有相当复杂的外形,而且其内腔更是包含了相当多的曲面。
所以,建模的过程绝对不会非常顺利的。
那么,由此就会产生大量的修改工作,导致建模工作反反复复。
对于一个优秀的设计人员来说,当然不应该只拘泥于正向的建模,能够从一个有问题的模型中去找出问题之所在,并巧妙的去解决它,才算是能称得上合格。
在刚刚开始学习UG
的时候,也许已经不知不觉地养成了一个不良的习惯,就是对于一些不想要的特征或者是不符合某些要求的特征,会很随便的将其删除,然后再重新建立真正所需的正确的特征。
当然,这种作法并不完全错,可是,对于一个庞大的模型,是不会因为几十部前的一个小错误而将它们轻易的删去。
既然这样,应该学会如何去修改已完成的模型,并且在建模的过程中将可能会进行修改这一因素考虑进去。
当然,前面所提到的建模思路也是其中的一个重要的方面。
对于气缸盖复杂的零部件而言,如果建模方案不佳,很有可能造成实体的相互关系混乱、难于修改的情况。
很可能因为思维上的一个小小的忽略,从而导致其它很多的特征都需要重新操作,甚至接近全盘推翻。
通过本次对气缸盖建模的实践,本文认为要让一个零部件具有良好的可修改性,则该实体模型需要具有以下的要求:
1)模型的建模思路要明确。
建模操作的顺序要符合实际情况,即按照由大到小、由粗到细的顺序来建立。
即先建立基本实体,其它类似打孔、倒圆角之类的操作放到最后才进行。
2)模型要尽量的保持参数化。
非参数化的模型修改起来相当的费力,且其他相关的零部件不可一并修改。
因此如何将模型保持尽量多的参数化是模型能否有良好可修改性的关键之一。
模型要尽量多的使用参数化,对于一个模型而言,只能有一个基本体素(圆柱体、立方体、锥体、球体),要尽量多的使用草图以及特征操作,这样所建立的实体基本上是全参数化的。
3)在保证参数化的前提下,要尽可能的使用较少的特征,比如倒圆半径相同的特征可以使用一个命令完成,最好不要分开进行,因为不必要的特征的增加会使得将来的修改变得繁琐与不变,模型的更新速度也会大大减慢。
3改进前后气缸盖进气道CFD的仿真模拟的比较
3.1什么是CFD
CFD是computationalfluiddynamics的缩写,中文叫计算流体力学,它是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。
通过CFD软件,可以分析并且显示发生在流场中的现象,在比较短的时间内,能预测性能,并通过改变各种参数,达到最佳设计效果。
CFD的数值模拟,能使我们更加深刻地理解问题产生的机理,为实验提供指导,节省实验所需的人力、物力和时间,并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。
随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟,出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。
商用CFD软件使许多不擅长CFD的其它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算,从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来,以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面,这样最佳地发挥了商用CFD软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势,为解决实际工程问题开辟了道路。
使用CFD,你首先得建立你想研究的系统或装置的计算模型;然后将流体流动的物理特性应用到虚拟的计算模型,CFD软件将输出你想要的流体动力性质。
使用CFD的优点:
1)通常的系统是很难模型化的,而CFD的分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象,因为CFD对你的设计有很强的理解和可视能力。
2)CFD能够快速的给出你想要的结果,一旦你给定你的问题的参量;这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数,得到最好的优化结果。
3)采用CFD是一种十分经济的做法。
由于它的开发周期短,因此能节省大量的人力物力,使产品能更快的进入市场。
目前比较好的CFD软件有:
Fluent、CFX、Phoenics、Star-CD,除了Fluent是美国公司的软件外,其它三个都是英国公司的产品 。
本次论文使用的就是Fluent。
3.2Fluent简介
Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件,在美国的市场占有率为60%。
举凡跟流体,
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