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2023-06-26
热应力分析：原理与应用
【摘要】：图3.24气缸热应力随转速的变化图3.25所示为在转速为17 000r/min时，前端盖的热应力分布。图3.30转子热应力随转速的变化通过对气缸、前后端盖、转子的热应力进行分析，可以发现热负荷对转子发动机关键零部件有明显的影响，热应力的分布与零部件温度场分布相呼应，热应力的大小还受螺栓约束的很大影响。
转子发动机气缸、前后端盖的温差较大，容易产生较大的热应力。因此有必要对零部件的热应力进行分析，将温度场的仿真结果作为边界条件，可以获得转子发动机各零部件的热应力分布。
气缸是转子发动机热负荷最大的零件，图3.23所示为气缸在转速为17 000r/min时的热应力分布，气缸热应力分布与其温度场结果吻合较好。在气缸周向燃烧区域附近，气缸的温度变化较快，气缸各区域热膨胀量不同，进而产生了较大的热应力。而在远离燃烧区域的部分，热负荷较小，则对应的热应力也相对较小。由于气缸与前后端盖通过螺栓连接，气缸厚度方向热膨胀受限，同样会产生较大的热应力。如图3.23所示，在气缸高温区域（即燃烧区域），以及螺栓预紧力较大的螺栓孔附近，显示出了较大的热应力。
图3.23 气缸热应力分布（17 000r/min）
气缸热应力的大小是随着温度场变化而变化的。随着发动机转速的上升，气缸的热负荷变大，热应力也随之增大。但发动机转速的变化并不改变发动机各区域温度场的分布规律，仅对各个区域温度的数值造成影响，因此没有对发动机零部件的热应力场分布造成太大影响。提取气缸热应力较大区域的三个节点的应力值，用于分析转速对热应力的影响规律，参考点位置如图3.7所示。气缸各区域热应力的大小随着转速的增加而增加，最大热应力出现在参考点1。通过对比参考点1与参考点2的热应力大小，可以发现由螺栓连接产生的限制对气缸热应力的影响比气缸内部结构互相影响限制对热应力的影响大许多，如图3.24所示。
图3.24 气缸热应力随转速的变化
图3.25所示为在转速为17 000r/min时，前端盖的热应力分布。前端盖的温度场分布特点与气缸类似，在燃烧区域温度较高，远离燃烧区域的部分，温度迅速下降。但由于前端盖的壁厚较薄，由前端盖自身结构相互限制产生的热应力较小，而由螺栓限制产生的热应力较大。前端盖的热应力主要出现在螺栓孔附近，最大应力出现在燃烧区域的螺栓孔附近。通过提取燃烧区域螺栓孔附近的热应力值，同样可以分析转速对前端盖热应力的影响规律，如图3.26所示。随着转速上升，前端盖的热应力也随之上升。
图3.25 前端盖热应力分布（17 000r/min）
图3.26 前端盖热应力随转速的变化
后端盖的热应力分布规律与前端盖接近，在燃烧区域的螺栓孔附近出现较大的热应力，如图3.27所示。转速对后端盖热应力的影响与对气缸、前端盖的影响相同（图3.28），随着转速增加，燃烧区域螺栓孔附近的热应力近似呈线性增加。
图3.27 后端盖热应力分布（17 000r/min）
图3.28 后端盖热应力随转速的变化
根据温度场的计算结果可以发现转子的温度场分布较为均匀，对应的热膨胀也较为均匀，因此由此导致的热应力较小，如图3.29所示。转子的热应力最大值出现在转子内部加强筋减重孔上，属于小孔附近的应力集中现象。在工作面上也出现较明显的热应力分布，这部分热应力的产生是由于工作面与加强筋连接部分的热膨胀受限制。
图3.29 转子热应力分布（17 000r/min）
转速对转子热应力的影响如图3.30所示，随着转速的增加，温度场会有所提高。但由于转子整体温度分布较为均匀，由温度上升导致的热应力变化较小，因此热应力不是影响转子强度的主要因素。
图3.30 转子热应力随转速的变化
通过对气缸、前后端盖、转子的热应力进行分析，可以发现热负荷对转子发动机关键零部件有明显的影响，热应力的分布与零部件温度场分布相呼应，热应力的大小还受螺栓约束的很大影响。气缸、前后端盖的热应力分布较不均匀，在燃烧区域对应的螺栓孔附近会出现较大的应力。随着螺栓预紧载荷的施加，螺栓孔处的应力还会增加，螺栓孔处的强度应是后续的分析重点。
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