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摆盘式柴油机摆盘及Z轴结构设计和有限元分析

作　者: 苏江波
导　师: 张翼
学　校: 中北大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 结构设计 运动学 有限元 热力耦合
分类号: TK422
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


摆盘式发动机是一种新型发动机，这种发动机具有结构紧凑、体积功率高、功率密度高、振动小、噪声低等特点。2006年美国陆军实验室试制了摆盘式汽油机，通过对试制样机研究证明了摆盘式内燃机在结构和性能上的完整性。本文的主要内容是对摆盘和Z轴进行有限元分析，在此基础上，对摆盘式发动机摆盘和Z轴进行结构设计。首先，确定摆盘和Z轴基本结构参数。由于摆盘做复杂的章动运动，需要包络出摆盘的运动轨迹，消除摆盘和隔板的运动干涉。本文通过建立摆盘和Z轴机构的三维实体装配模型，应用PRO/E对摆盘的关键点进行运动学仿真。通过对关键点运动规律分析，去除隔板和摆盘的材料完成摆盘一部分结构设计。其次，摆盘和Z轴结构设计的主要任务是摆盘运动形式和运动规律的研究，保证工作过程。同时为保证摆盘式发动机功能的实现，需对摆盘和Z轴进行循环油路的布置和密封的设计。在摆盘冷却油道的布置上，保证冷却油首先对摆盘承受高温燃气的部分进行冷却，同时对摆盘和Z轴需要的循环机油量进行计算。摆盘运动时与缸体的接触形式和转子发动机相似，本文在对比传统活塞式发动机和转子发动机密封的基础上确定摆盘密封最终方案。第三，在确定摆盘和Z轴的结构参数基础上，对摆盘和Z轴进行有限元分析。本文仅考虑了Z轴在最大爆发压力作用下的静力学分析。通过Z轴应力和应变分析结果对Z轴的结构进行改进设计。同时也对摆盘进行了最大爆发压力作用下静力学分析，便与摆盘的热力耦合分析的结果进行对比。最后，通过摆盘式发动机工作过程仿真数据计算平均温度和平均换热系数，结合往复式活塞发动机活塞换热系数经验计算公式确定摆盘各部分的换热系数和温度。得出摆盘的温度场分布，最后进行摆盘热力耦合分析摆盘的应力和应变对摆盘进行有限元分析计算。本文对摆盘和Z轴进行结构设计和有限元分析，确定摆盘和Z轴的结构设计方案。对摆盘式柴油机样机的试制提供支持。同时为摆盘和Z轴减重和轻量化设计的后续研究奠定基础。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-23
  1.1 课题研究背景及意义  11-13
    1.1.1 研究背景和依据  11-12
    1.1.2 研究目的和意义  12-13
  1.2 摆盘式发动机机国内外研究现状  13-14
    1.2.1 摆盘式发动机国外研究现状  13-14
    1.2.2 摆盘式发动机国内研究现状  14
  1.3 摆盘式发动机有限元分析进展和现状  14-18
  1.4 多刚体动力学国内外研究现状  18-20
  1.5 论文主要研究内容  20-23
第2章 摆盘式柴油机理论基础  23-27
  2.1 摆盘式柴油机总体结构  23-24
  2.2 摆盘式柴油机运动原理  24-26
  2.3 本章小结  26-27
第3章 有限元分析理论基础  27-34
  3.1 热应力计算的有限单元理论  27-29
    3.1.1 结构热应力的应变分析  27-28
    3.1.2 壳体温度单元  28-29
  3.2 有限元热传导分析理论  29-33
    3.2.1 傅里叶导热定律  29-30
    3.2.2 热传导的微分方程  30-32
    3.2.3 温度场三类边界条件  32
    3.2.4 稳态热传导微分方程的求解  32-33
  3.3 本章小结  33-34
第4章 摆盘运动学仿真与结构设计  34-41
  4.1 摆盘式发动机运动简介及装配  35-37
    4.1.1 摆盘式发动机运动副分析  35-36
    4.1.2 摆盘式发动机运动模型装配  36-37
  4.2 摆盘及 Z 轴运动学仿真分析  37-38
  4.3 摆盘结构设计  38-40
  4.4 本章小结  40-41
第5章 摆盘及 Z 轴结构设计  41-49
  5.1 摆盘及 Z 轴油路设计与计算  41-43
    5.1.1 摆盘油路方案确定  41-42
    5.1.2 冷却油泵计算  42-43
  5.2 摆盘及 Z 轴密封设计  43-48
    5.2.1 传统发动机活塞环的密封与润滑  43-44
    5.2.2 转子发动机转子的密封  44-45
    5.2.3 摆盘及 Z 轴密封  45-48
  5.3 本章小结  48-49
第6章 摆盘及 Z 轴有限元分析  49-63
  6.1 摆盘及 Z 轴三维实体模型  49-51
    6.1.1 摆盘及 Z 轴三维实体模型建立  49-50
    6.1.2 摆盘及 Z 轴模型简化  50-51
  6.2 摆盘及 Z 轴有限元前处理  51-53
    6.2.1 摆盘及 Z 轴模型的离散化  51-52
    6.2.2 摆盘及 Z 轴载荷分析  52-53
  6.3 摆盘及 Z 轴有限元分析  53-57
    6.3.1 Z 轴中心轴有限元分析  54-56
    6.3.2 Z 轴旋转轴有限元分析  56-57
  6.4 摆盘温度场分析  57-60
    6.4.1 摆盘热分析  57-58
    6.4.2 摆盘温度场分析  58-60
  6.5 摆盘热力耦合分析  60-62
  6.6 本章小结  62-63
第7章 总结与展望  63-66
  7.1 总结  63-64
  7.2 展望  64-66
参考文献  66-70
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果  70-71
致谢  71-72

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 内燃机 > 柴油机 > 设计、计算
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