摆盘式柴油机摆盘及Z轴结构设计和有限元分析

【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。
【作者】苏江波；
【导师】张翼；许俊峰；
【作者基本信息】中北大学，动力机械及工程，2014，硕士
【关键词】结构设计；运动学；有限元；热力耦合；

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