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柴油機氣缸功能的重要性及結(jié)構(gòu)的復雜性，使氣缸蓋成為內(nèi)燃機的關(guān)鍵部件之一。但是，嚴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)的復雜性，大量文獻采用二維或簡單三維模型對其局部進行溫度場或應力場分析，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，應該建立相應的分析標準，以便對其進行可靠的指導。
本研究針對在熱負荷方面具有一定優(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，得出一個相應的、可靠的解決方案，為最終建立相應的計算標準奠定基礎(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，從而達到密封目的。
氣缸蓋機械負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行詳細應力分析的情況下，根據(jù)圣維南原理，這種處理對氣缸蓋其它部位應力結(jié)果的影響不大。必須考慮燃氣壓力的不均勻性時，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行施加。
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