基于有限元求解的汽车发动机连接结构分析研究

2019-11-08 06:01:33 粘接 2019年9期

赵建宁

摘要:针对汽车发动机燃烧室内部对材料的超高要求,采用有限元分析方法对发动机连接结构中的热障涂层温度场和应力场进行分析,并分析了比较典型的L圆角连接结构的温度场。结果表明,zrO2-NicrAlY层具有良好的温度应变性能,并随着温度加热,其温度场降低,基本能满足发动机燃烧室的性能要求。同时将有限元方法应用到L型连接结构中,得到在过渡区具有较大的温度场。由此通过以上的分析,阐述了连接结构在发动机燃烧室中的相关温度和应力变化情况,为后续的发动机部件涉及提供了参考。

关键词:有限元;汽车发动机;连接结构;热障涂层

中图分类号:T0050.3 文献标识码:A 文章编号:1001-5922(2019)09-0081-04

在机械设计制造、土木建筑、材料加工等诸多领域中,有限元分析被广泛应用于来解决复杂工程分析问题。有限元分析能够优化设计制造方案,有效提升机械产品或工程的可靠性,并且降低原材料成本。在汽车发动机领域中,燃烧室是汽车发动机的核心部件,燃气温度的高低直接关系着发动机的推力与效率的高低。传统的汽车发动机冷却技术以及耐热材料难以为燃烧室提供有效可靠的热防护,而主动冷却以及热障涂层的设计方案又需要热障涂层具有较高的可靠性。因此,文章以有限元分析为基础,对发动机常用的热障涂层的温度场和变形、应力场进行分析,以此通过优化,提高异质材料连接件的性能,更好的提升发动机动力性能。

1连接结构简介及热传导控制

文章中研究发动机异质材料连接件主要为热障涂层,该涂层由ZrO2面层、NiCrAlY粘接层构成。其中,zrO2面层的厚度介于0.25~0.35mm;NiCrAlY粘接层厚度介于0.05-0.1mm。連接件结构为4.5mm×45mmX1mm。具体连接结构如图1所示。

文章所分析的发动机异质材料连接件值考虑面层热一物性参数变化,其他的暂不做考虑。

2连接结构温度场变化规律分析

2.1整体温度场变化分析

利用有限元法对温度场进行求解,从而得到图2的连接结构温度场变化。根据图2可以看出,温度场的变化在z轴方向的变化不明显,但是在Y轴方向的变化却非常明显。说明,沿着Y轴方向为温度梯度变化的主要方向。

2.2不同层温度场变化分析

选取图1中连接结构中粘接层一薄板界面、面层一粘接层界面,对两界面的温度场变化进行分析。通过分析得到图3的结果。根据结果表明,上述两个界面在Y轴方向的温度梯度受热在最开始时最高,此后随着时间的推移,其温度开始变低。

根据上述结果可以看出,该汽车发动机连接结构随着时间的推移,其温度场开始越来越低,最终趋于稳定。说明该材料满足发动机燃烧室的燃烧要求。

2.3不同层界面应力变化分析

根据图3的结果,取t=10s的情况下,探讨不同界面的应力变化规律,并得到在该时刻下的界面应力的典型路径投映,具体见图4所示。

从上述结构的整体分析来看,在靠近对称约束端界面,其应力分布相对比较均匀,而在靠近自由端面方向,界面应力开始变化,并出现峰值。造成该变化的原因,是因为受到边缘效应的影响。

3不同连接结构厚度对温度场和应力场的影响

为分析发动机异质材料连接结构中不同面层的厚度给整体连接结构的影响,取面层厚度最大值和最小值,然后通过有限元求解法得到结构特征点温度和界面法向应力SY。具体见图5所示。在图5中,则分别给出面层的厚度为0.35mm、0.3mm和0.25mm三个不同厚度下的结构特征点温度变化情况。其中,Temp_1表示冷却(cooling)面温度,Temp_2和Temp_3分别表示界面1和界面2温度,Temp_4表示受热(heating)面温度。对应的应力变化范围则如图6所示。图6(a)、(b)和(c)分别为面层厚度为0.35mm、0.3mm和0.25mm时的界面法向应力变化。inteffacel、inter.face2分别表示粘接层一薄板界面、面层一粘接层界面。通过以上的结果可以看出,随着面层厚度的减小,其温度场略有下降,而薄板表面温度却有少许上升。在应力方面,随着面层厚度的增加,其应力峰值也不断增加。

3L-型结构有限元分析

为进一步验证有限元分析在发动机材料特性分析中的价值,以某发动机连接结构中的L型结构为例,具体见图7所示。

在实际应用的L型结构中,

d3=d4=4.5e-3m,r表示半径,分别取值为0.5e-3m、1e-3m、1.5e-3m。同时其中的S.C.表示施加的对称位移约束。

同时,为方便计算,引人平面应变假设。同时材料单弹性模量设定为200GPa,停松比设定为0.3,材料的膨胀系数为13.5e-6,热传导系数在设定为17.5W/mK。对冷却壁施加500°C的温度边界条件,同时对加热壁施加1000°C的温度边界。通过有限元分析,得到该L结构的温度场分布情况,具体见图8所示。通过图8看出,L结构的温度场在其拐点处,即在圆角与竖直平面的过渡节点上,其温度场达到峰值。由此,通过上述的变化看出,在该过渡节点上,其温度变化最为明显,对材料的要求也是最高。

4结语

通过有限元分析,解释了热障涂层在发动机室内燃烧的过程中,其内部温度和应力的变化情况,从而为发动机内部关键部件的材料选定和设计提供了很好的参考,对提高发动机内部性能具有很好的作用和价值。