船用中速柴油机缸套应力场分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

有限元方法是伴随着计算机软硬件技术的发展而迅速发展起来的一种现代设计计算方法,如今越来越广泛地应用在船舶设计工程领域。柴油机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术的应用提高了柴油机零部件设计的可靠性,缩短了设计周期,大大推动了柴油机工业的发展。有限元法具有成本低、直观、可预见性强等优点,在特别是对于复杂的机体,用有限元进行分析,求出各点的应力和变形,对机体的结构设计具有重要的指导作用。有限元分析方法是现代工程技术领域内最常用的数值模拟方法之一,有很强的实用性有限单元法首先应用在结构分析,然后又在其他领域中得到广泛应用。在结构应力分析中,稳态的、瞬态的、线性的、非线性的问题以及热传导、流体流动和电磁学中的问题都可以用有限元法进行分析解决。有限单元法起源于离散数值解法【5】。1943年r.courant在求解扭转问题是为了表征翘曲函数而将截面分成若干三角形区域,在各三角形区域设定一个线性的翘曲函数。这是公认的有限元法的最早应用。有限单元法的真正用于工程中是在电子计算机出现以后。在20世纪50年代,boeing公司的专家首次采用三节点三角形单元对机翼进行建模分析,大大推动了有限元方法的应用。接着不少人也采用这一方法进行工程分析，1960年美国的r.w.clough教授在一篇题为“平面应力分析的有限元法”的论文中首次使用有限单元法一词。20世纪60年代是有限单元法发展的黄金年代,奠定了有限单元法的理论基础。20世纪70年代以来,有限单元法进一步得到了蓬勃发展,开始出现一些大型的通用有限元软件。1971年,ansys公司首次发布了ansys2.0大型通用有限元软件。ansys公司是由美国著名力学专家、美国匹兹堡大学力学系教授johnswanson博士于1970年创建发展起来的,目前是世界cae行业最大的公司。ansys软件是融结构力学、热分析、电磁场分析、声场分析以及压电分析于一体的大型通用软件。其代码长度超过100000行,可广泛应用于各种工程的设计、计算以及优化分析等各个领域。另外,还具有多物理场耦合的功能,允许在同一模型上进行各式各样的祸合计算,如热一结构耦合、磁一结构耦合以及电一磁一流体一热耦合等,确保ansys对多领域多变工程问题的求解

目前，柴油机在国民经济和国防工程上得到了最为广泛的应用。柴油机向高强化方向的发展使其零部件的负荷不断增大,特别是气缸套所受的应力是导致其破坏的主要因素。而柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间,并为活塞起导向作用,它的不正常变形将破坏活塞与缸套间的正常间隙,导致工作过程的恶化。气缸套的内表面直接受到高温燃气的作用。湿式气缸套的外壁直接与冷却水接触，将受到冷却水的冲刷和侵蚀。气缸套上部是一个支撑凸奸，凸肩依靠缸盖螺栓压紧。在燃烧放热接近最大值时，虽然气缸套暴露在燃烧室中的面积尚小，但这部分表面积正处在支撑凸肩附近，急剧的截面变化·气缸爆发压力·内外壁温差以及缸盖螺栓的压紧力等使凸肩附近的机械应力和热应力变得极为复杂【2】。气缸套的设计，将直接影响柴油机性能·使用可靠性和耐久性。有限元分析可以帮助优化缸套结构，使其具有足够的刚度和强度,保证在工作时缸套不致有过大的变形,还要有适度的冷却,使缸套在全长范围内保持适当的温度,同时还应保证燃气、冷却水的可靠密封。

近20年是数值模拟技术发展迅猛的时期,国内外的研究机构和企业对缸套开展了广泛的研究工作。其研究方面主要有缸套本身的温度场、热应力、热疲劳和机械强度等方面的研究【6】。在此基础上,进行了深入的研究,包括热冲击研究、祸合瞬态温度场和应力场的研究、润滑油膜等方面的研究。同时,在数值计算方面,人们也在努力寻求针对某一专业领域的数值计算方法,以提高其分析和解决问题的能力。本课题利用软件对柴油机缸套的机械应力和热应力进行有限元法分析,得到各种应力在缸套结构上的分布规律,对柴油机缸套结构的设计人员有一定的参考意义。同时也使船舶轮机管理人员对缸套结构是否满足应力设计要求提供了验证的机会,另外对缸套的检修也提供了一定的指导意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容及目标

对船用中速柴油机气缸套进行三维实体建模，运用ansys软件对其进行有限元建模，确定柴油机缸套应力场分析的边界条件，对气缸套进行应力场分析得出柴油机缸套应力分布规律，最后进行强度校核分析。

2.2技术方案及措施

3. 研究计划与安排

（1）英文翻译、文献阅读报告及开题报告（第1周—第3周）

（2）学习pro/e，测量、搜集中速柴油机缸套相关参数，对中速柴油机缸套进行三维实体建模 （第4周—第5周）

（3）学习有限元、应力场分析相关基础知识及有限元软件的使用方法

4. 参考文献（12篇以上）

[1]埃科特，德雷克.传热与传质分析[m].航青译.北京：科学出版社.1983

[2]陈大荣.船舶内燃机设计[m].北京：国防工业出版社，1995

[3]傅永华.有限元分析基础[m].武汉：武汉大学出版社，2003