热机耦合应力分析技术探析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：由螺栓预紧力造成的螺栓孔附近应力分布也是热-机耦合应力分布的重要组成部分。热-机耦合作用下应力最大值出现在螺栓预紧力最大的螺栓孔附近。总的来说，零件的热-机耦合应力分布是由热负荷与机械负荷共同决定的。随着转速的增加，气体爆发压力增大，转子最大热-机耦合应力增加且增幅较大。图3.34气缸内壁热-机耦合应力随转速变化图3.35所示为转子最大热-机耦合应力随转速的变化。

将温度场与螺栓预紧力及气体爆发压力进行耦合分析，获得零件在正常工作下的受力与变形。

气缸、前端盖、后端盖、转子的热-机耦合应力分布如图3.32所示。热-机耦合应力分布是热应力与机械应力相互作用和相互影响的结果。由螺栓预紧力造成的螺栓孔附近应力分布也是热-机耦合应力分布的重要组成部分。热-机耦合作用下应力最大值出现在螺栓预紧力最大的螺栓孔附近。但热-机耦合应力最大值比机械应力最大值大，这是由热负荷导致的。在热负荷作用下，气缸、前端盖、后端盖在厚度方向会发生一定膨胀，而螺栓限制其自由膨胀，进而产生了热应力。气缸内壁、前端盖、后端盖中部的应力分布规律与热应力的分布规律接近。这些区域远离螺栓孔，受螺栓预紧力的影响较小，热应力的影响较为明显。总的来说，零件的热-机耦合应力分布是由热负荷与机械负荷共同决定的。在螺栓孔附近，机械载荷占主导地位；而在气缸内壁等区域，热负荷对热-机耦合应力分布的影响更大。

对转子而言，转子不直接受螺栓预紧力的影响。对转子影响较大的是作用于转子工作面的气体爆发压力。如图3.32（d）所示，在工作面与加强筋板直接相连区域应力较大，这是由于交界区域结构不连续，产生了应力集中，但这种局部应力衰减很快，影响区域较小。在远离加强筋支撑区域，应力水平迅速下降且工作面上的应力分布较为对称，这与转子自身较为对称的结构有关。在远离气体压力作用的转子内部，仍然出现了较为明显的应力分布，这是受高温燃气作用产生的热应力。

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图3.32　零件热-机耦合应力分布（17 000r/min）

（a）气缸耦合应力分布；（b）前端盖耦合应力分布；（c）后端盖耦合应力分布；（d）转子耦合应力分布

气缸、前端盖、后端盖螺栓孔附近最大热-机耦合应力随转速的变化如图3.33所示。螺栓孔附近的最大热-机耦合应力也就是整个结构最大热-机耦合应力，最大应力值随转速的变化很小，这是因为螺栓预紧力不随转速变化。而气缸内部的热-机耦合应力受热应力的影响更大，其变化规律与热应力随转速的变化规律接近，随着转速增加，气缸内壁的热-机耦合应力增加，如图3.34所示。

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