基于Ansys下柴油机控制外壳应力的强度分析

柴油机作为一种广泛应用于工业、农业、交通运输和国防等领域的动力设备，其性能和可靠性在很大程度上取决于其在各种环境和工况下的适应性。随着现代工业对柴油机性能要求的不断提高，柴油机需要在更加复杂和恶劣的工况下稳定运行。[2]这不仅要求柴油机具有较高的热效率和功率输出，还要求其结构能够在高温、高压和机械载荷等多重因素的耦合作用下保持稳定。

在柴油机的运行过程中，其内部结构如气缸套、活塞、曲轴等部件会同时承受热负荷和机械负荷。热负荷主要来源于高温燃气的冲击和热传导，而机械负荷则包括燃气压力、惯性力和预紧力等。这些载荷的耦合作用使得柴油机的受力结构变得极其复杂，单一的热负荷或机械负荷分析无法准确反映其实际工作状态。因此，进行热力耦合下的强度校核对于理解和优化柴油机的受力结构具有重要意义。[3]

通过对柴油机进行静力学分析，可以更准确地模拟其在实际工作中的受力情况，从而为结构设计、制造和强度校核提供可靠的理论依据。在螺栓连接的设计中，热力耦合分析能够揭示柴油机外壳在高温和机械载荷共同作用下的应力分布和变形情况，从而指导其结构优化和材料选择。此外，热力耦合分析还有助于预测柴油机在不同工况下的疲劳寿命，为提高其可靠性和使用寿命提供支持。[4]

1 结构和工作原理

柴油机的结构复杂而精巧，主要包括空气阀、仪表盘、发电机、底座钢架、液压油泵、柴油机本体以及消音管等部件。空气阀负责调节进入气缸的空气量，确保燃烧过程的顺利进行。仪表盘则用于实时监测柴油机的运行状态，如转速、油压、水温等参数，为操作人员提供重要信息。发电机是将柴油机产生的机械能转化为电能的关键部件，其内部包含定子、转子和绕组等，通过电磁感应原理实现能量转换。底座钢架为整个柴油机提供了稳固的支撑，确保其在运行过程中保持稳定，同时也有助于吸收和分散振动，减少对周围环境的影响。[5]液压油泵则用于提供液压动力，驱动柴油机内部的液压系统，如燃油喷射系统等，确保燃油的精确喷射。柴油机本体是整个设备的核心，包括汽缸、活塞、连杆、曲轴等部件，负责将燃料燃烧产生的热能转化为机械能。消音管则用于降低柴油机运行时产生的噪音，通过特殊的结构设计和材料选择，有效吸收和减弱声波，使柴油机在运行时更加安静。

柴油机工作原理涵盖四冲程：进气时，活塞下移，进气门启、排气门闭，空气入缸；压缩阶段，活塞上行，两门皆闭，空气受压升温；接近上止点，喷油器喷雾化柴油，遇热自燃，热能剧增；做功冲程，燃气推活塞下移，经连杆曲轴转化成旋转功输出；排气时，活塞上行，排气门开、进气门闭，废气排尽。此循环依曲轴驱动反复，确保柴油机动力持续稳定输出。[6]

2 静力学分析

柴油机在运行中会面临热工况和静力学工况等复杂环境，其多物理场耦合分析方法主要有两种：直接耦合法和顺序耦合法。直接耦合法虽然只需一次分析，但因涉及多场自由度的耦合单元，计算过程较为复杂。而顺序耦合法则相对灵活简单，计算效率更高，将其与柴油机本体的其他载荷和约束条件一起用于应力分析。

2.1 应力分析及设置

柴油机基体外壳材料的选择至关重要。通常采用铸铁，其具有良好的铸造性能，能制造出形状复杂的外壳，且成本相对较低。铸铁还具备优良的减振性，可有效降低柴油机运行时的振动和噪音。此外，部分高性能柴油机外壳会选用 2Cr13 不锈钢。2Cr13 不锈钢密度小，有助于减轻整机重量，提高燃油经济性。同时，2Cr13 不锈钢的散热性能好，能更好地散发柴油机工作时产生的热量，确保发动机在适宜的温度下高效运行。下表 2.1 为柴油机零件材料的力学性能及热物性。不过，铝合金的强度和硬度相对铸铁稍逊，需要合理设计结构以满足强度要求。柴油机基体外壳材料为 45 号钢；底座支撑材料设置一般为结构钢。

2.2 网格划分

在柴油机模型中，不同区域对计算精度的要求不同。通过网格划分，可将计算资源集中在关键区域，如燃烧室、活塞顶面等对性能影响较大的部位，对其他非关键区域则采用较稀疏的网格，从而减少计算量，提高计算效率。优化求解过程：高质量的网格划分有助于提高数值求解的收敛性。

图 2.1 柴油机模型网格划分图

如图 2.1 柴油机模型网格划分图所示，此模型共有 239616 个网格单元，合理的网格划分能精确捕捉这些细节，使计算结果更贴近实际物理过程。

2.3 仿真结果分析

如下图 2.2 柴油机模型总体形变量，在对柴油机模型进行有限元分析时，发现柴油机外壳的最大形变量为 ，主要集中在柴油机端盖顶部。这一现象的原因在于柴油机在工作过程中，端盖顶部受到的外力较大，导致应力集中，从而产生较大的形变。具体来说，柴油机在运行时，气缸内的高压气体和燃烧产生的高温会对端盖施加较大的压力和热负荷，特别是在端盖顶部，由于其结构特点和受力情况，更容易出现应力集中现象，进而导致较大的形变。这种形变不仅影响柴油机的密封性能，还可能对发动机的长期运行可靠性产生不利影响。

如图 2.3 柴油机模型等效应力图所示，柴油机的最大等效应力集中在支撑底部，数值为 42.632 这一现象的原因在于支撑底部在柴油机工作过程中承受了较大的载荷，导致应力集中。具体来说，柴油机在运行时，气缸内的高压气体和燃烧产生的高温会对支撑结构施加较大的压力和热负荷，特别是在支撑底部，由于其结构特点和受力情况，更容易出现应力集中现象，进而导致较大的等效应力。

3 结论

通过对柴油机模型进行有限元分析，得出以下结论：柴油机外壳的最大形变量为 ，主要集中在端盖顶部，这是由于该部位在柴油机工作时受外力作用应力集中较大所致。同时，柴油机的最大等效应力集中在支撑底部，数值为 ，该现象也是由于支撑底部在工作过程中承受较大载荷，导致应力集中。这些发现表明，柴油机在设计和制造过程中，需特别关注端盖顶部和支撑底部的结构强度与应力分布，以确保其在运行中的可靠性和耐久性。

参考文献：

[1]张玉娟，尹慧琼，封慧，等.柴油机气缸盖垫片失效故障分析[J].汽车实用技术，2024，49（17）：99-102.DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2024.017.020.

[2]李明海，庄斌.7FDL-16 柴油机气缸盖热结构耦合应力分析[J].大连交通大学学报，2024，45（02）：63-67.DOI：10.13291/j.cnki.djdxac.2024.02.009.

[3]苏冠领，张文强.柴油机活塞有限元分析与结构改进[J].时代汽车，2023，（21）：141-143.

[4]吴刚，曾亿山.内燃机车柴油机曲轴的结构优化设计[J].池州学院学报，2023，37（03）：16-19.DOI：10.13420/j.cnki.jczu.2023.03.005.

[5]张光伟，张进，高瑞峰，等.船用柴油机高压 SCR 系统强度及变约束分析[J].船舶工程，2023，45（07）：78-84+91.DOI：10.13788/j.cnki.cbgc.2023.07.11.

[6]杨广军，陈鑫，王云飞，等.收获机械用柴油机的结构设计与分析[J].内燃机，2023，39（06）：41-48.DOI：10.20082/j.cnki.nrj.2023.06.007.

姓名：袁冬冬 性别：男 出生年月：1999 年 1 月 19 号 民族：汉 籍贯：江苏南通 学历：南京林业大学机械工程研究生（已毕业） 职称：工程师 研究方向：机械加工