基于CFD与FEA的柴油机喷嘴疲劳强度分析

基于计算流体动力学与有限元分析技术对某柴油机喷嘴进行了液力负荷研究,用应力波理论对该喷嘴阀座处的冲击应力进行了计算,对喷嘴进行了应力与疲劳强度分析。结果表明:喷嘴的静强度符合要求;喷孔处虽存在应力集中现象,但安全系数为8.60,有足够的应力储备;阀座处的安全系数偏低,是喷嘴最早萌生裂纹进而发生疲劳断裂的危险区域。

应用FEA-CFD耦合方法对某增压柴油机排气歧管的开裂失效分析及设计改进

针对某直列四缸增压柴油机排气歧管在台架耐久试验中出现开裂现象,应用有限元(finite element analysis,FEA)-计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)耦合方法对排气歧管进行了热应力分析。排气歧管热应力分析模型中的材料性质随着温度变化的关系由试验测定;在相应发动机工况下对模型预测的温度场和台架上测量的排气歧管温度进行对比,以对模型进行标定。应用标定后的模型分析排气歧管在给定热负荷条件下的应力-应变分布。FEACFD耦合分析结果表明:发生开裂的区域为高塑性应变区,从而推论导致排气歧管开裂原因为热力耦合应力作用下产生的塑性变形,即失效形式为热机械疲劳。以等效塑性应变作为塑性变形的度量及许可的等效塑性应变经验值为判据对排气歧管进行了设计改进,并从三种改进方案中找出最安全的方案进行试验验证,改进后的排气歧管顺利通过发动机台架耐久试验考核。

3D Two-way Coupled TEHD Analysis on the Lubricating Characteristics of Thrust Bearings in Pump-turbine Units by Combining CFD and FEA

The thermal elastic hydro dynamic （TEHD） lubrication analysis for the thrust bearing is usually conducted by combining Reynolds equation with finite element analysis （FEA）. But it is still a problem to conduct the computation by combining computational fluid dynamics （CFD） and FEA which can simulate the TEHD more accurately. In this paper, by using both direct and separate coupled solutions together, steady TEHD lubrication considering the viscosity-temperature effect for a bidirectional thrust bearing in a pump-turbine unit is simulated combining a 3D CFD model for the oil film with a 3D FEA model for the pad and mirror plate. Cyclic symmetry condition is used in the oil film flow as more reasonable boundary conditions which avoids the oil temperature assumption at the leading and trailing edge. Deformations of the pad and mirror plate are predicted and discussed as well as the distributions of oil film thickness, pressure, temperature. The predicted temperature shows good agreement with measurements, while the pressure shows a reasonable distribution comparing with previous studies. Further analysis of the three-coupled-field reveals the reason of the high pressure and high temperature generated in the film. Finally, the influence of rotational speed of the mirror plate on the lubrication characteristics is illustrated which shows the thrust load should be balanced against the oil film temperature and pressure in optimized designs. This research proposes a thrust bearing computation method by combining CFD and FEA which can do the TEHD analysis more accurately.

CFD_FEA耦合计算分析发动机排气歧管热负荷

为了在开发设计过程中预测排气歧管的热负荷,采用了计算流体力学—有限元分析耦合计算分析方法。首先用计算流体力学(CFD)软件计算了排气歧管的瞬态内流场,得到了排气歧管内壁面的热边界条件;再以此为边界条件,使用有限元软件计算了排气歧管的温度场,并以此温度场为边界条件,计算了其热应力;最后进行疲劳分析,得到安全系数为1.71,可以进行工程开发。

基于FEA与CFD的排气歧管开裂问题联合研究

某直列6缸增压柴油机,在台架耐久试验中,排气歧管出现了开裂问题。采用FEA与CFD相结合的方法,对开裂样件进行了耦合分析。应力-应变分析显示,样件在高塑性应变区发生了开裂,即开裂的主要原因为塑性变形,主要失效于热机疲劳。基于等效塑性应变,对排气歧管的开裂部位进行了结构优化。结果表明:优化后的排气歧管顺利通过了发动机台架的各项考核,具有较好的耐久性能。

CFD_FEA方法在热端焊接支架设计中的应用

某新设计的排气热端在发动机台架热冲击试验中出现了隔热罩固定支架焊接根部开裂的现象。首先运用CFD分析计算出排气热端内表面的温度边界条件,然后以此为边界条件,使用有限元软件ABAQUS计算得出排气热端外表面的温度场;接着运用ABAQUS软件以外表面温度场为边界条件,对失效部位进行交变温度下的Delta-PEEQ计算分析。计算结果表明焊接开裂处的De]lta-PEEQ超过了极限值,根据计算结果改进设计了支架结构和焊接部位,经过发动机台架热冲击试验证明改进措施是有效的。

华龙一号反应堆上腔室及热段流-热耦合场数值模拟

压水型反应堆(pressurized water reactor,PWR)系统主管道热段内冷却剂的温度和流量,直接反映了核功率和堆芯换热状态,是反应堆功率控制和安全保护的核心参数。为全面掌握华龙一号反应堆上腔室及热段内冷却剂流-热耦合场分布及演变规律,为核心参数测控提供参考,基于有限元分析(finite element method,FEA)方法,对上腔室及热段冷却剂流域进行了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。首先建立了合理简化后的华龙一号(Hualong One)反应堆上腔室及相连热段的3D几何结构模型。随后对模型计算域进行了离散化网格划分和网格敏感性分析。最后通过计算,获得了冷却剂非等温流动的稳态特性解,流量、温度与相关设计估算值、实际测量值的相对误差均小于2%。对稳态特性研究表明,高、低温冷却剂在上腔室垂直内壁附近的不充分换热导致热段入口冷却剂温度分布不均,存在14.0~16.3℃的温差。随冷却剂沿轴向流动,冷却剂温度场分布和流场分布均逐渐趋于均匀和稳定,且是热段内低温冷却剂的流动主导了冷却剂温度分布的变化。

基于CFD仿真的地暖能耗模拟与方案优化

地暖已逐渐成为装修工作中必要的一项,但南方地区居民对于地暖的经济性仍持怀疑态度,为此通过市场调研对空调与地暖的经济性进行对比,验证了在南方地区铺设地暖的经济可行性。为规范南方地区的地暖铺设装修工程,探索一种兼具经济性与舒适性的地暖铺设方案尤为重要。为此结合CFD仿真技术,通过有限元模型构建及修正、FloEFD软件模拟对某一种选定户型进行了地暖能耗分析,在保证经济性与舒适性的基础上,从地暖铺设方式及铺设间距的角度出发,探索出了基于该户型的较优的地暖铺设方案。

汽车散热器流场特性CFD数值模拟与分析

针对汽车散热器主要失效形式为主板扁管间焊点开裂的问题,以入水室顶点角θ、入水口角度α为设计的变化参数,通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟分析入水室内部流场、入水室与扁管连接处压力、散热器芯各扁管中点位置流速与其关系,仿真结果表明:当入水室顶点角θ减小,入水室中的涡流现象减弱、两侧管道的流速趋于均衡,但主板与扁管连接处压力、中央管道流速变化较小;入水口角度α减小,入水室中涡流现象减弱、主板与扁管连接处压应力降低、中央管道流速将降低,但两侧管道流速上升。

CAE软件云化应用研究——典型船舶CFD软件初探

随着CAE软件在各类工程设计中的广泛应用,用户对CAE软件的数据存储、计算能力、多用户协作共享等方面提出更高要求。云计算的实现弹性扩展与高效资源利用特性可有效解决CAE软件应用瓶颈问题。当前,学术界及部分工业企业已将CAE软件与云技术融合应用视作未来软件发展的重点。梳理了CAE软件云化应用的发展历程,并对其涉及的核心技术进行了分析。在此基础上,初步探讨了船舶行业CAE软件云化应用研究进展,提出了典型船舶CFD软件云化应用发展方向。

基于流固耦合方法排气歧管热机械疲劳分析

柴油机功率的不断提升,排气温度也相应升高,排气歧管须承受更高的热负荷,从而可能导致其热机械疲劳失效。在设计初期阶段可通过计算机辅助工程(CAE)分析工具执行一系列虚拟模型仿真验算以验证设计方案的可行性和潜在风险,而非花费高额成本和大量时间针对实际样品进行测试验证。采用瞬态传热计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)分析和实体壁面温度相映射的方法模拟排气流经排气歧管时流动分离情况,经CFD和有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)之间的耦合迭代后,根据热机械计算结果,即温度场、应力和塑性应变参数监测歧管结构设计缺陷,然后选择合适的材料属性和评估关键位置潜在开裂风险,最后依据各方案计算结果制造出排气歧管样件,在试验台架上进行整机耐久性测试,试验中未出现开裂失效,研究结果表明采用热机械疲劳分析方法可有效预测排气歧管疲劳潜在失效并为结构设计变更提供指导。

基于流固耦合方法的气压密封阀仿真分析

针对气压密封阀的流固耦合问题应用一种解耦分析方法,并利用循环迭代法建立了统一的流固耦合计算模型。在流固耦合模型基础上,使用有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)联合计算方法对气压密封阀进行仿真分析,得到气压密封阀在流固耦合作用下的工作特性,并且对不同结构参数的模型进行了研究。通过分析不同气体压力、控水环和密封环厚度下气压密封阀的变形,给出了气压密封阀的变形规律,同时还给出流体运动状态,为气压密封阀的优化设计提供了依据。

重型柴油机四气门气缸盖的设计

在经验设计的基础上,采用冷却系统CFD与有限元分析相结合的方法,利用CFD定量分析确定了气缸盖的冷却水量和冷却水分布,利用有限元分析了气缸盖的温度场和疲劳安全系数,优化设计了一重型柴油机的四气门气缸盖,并进行了气缸盖测温和发动机可靠性试验。试验证明,该气缸盖工作可靠,测量的温度与计算的温度基本吻合,证明了气缸盖设计方法的有效性。

某发动机排气歧管流固耦合分析的应用

文章采用一种流固耦合的计算方法,模拟某发动机排气歧管全速全负荷工作时的温度场以及冷却过程的变形与应力,由此确定该排气歧管在工作中变形过大、漏气问题的设计缺陷,并提出优化方案。

船用螺旋桨桨叶应力数值计算

综合运用计算流体力学(CFD)与有限元分析(FEA)方法对船用螺旋桨桨叶应力进行数值模拟和分析。采用CFD方法对设计工况与非设计工况的敞水特性进行数值模拟;将CFD数值模拟所得的空间水动力作为外部载荷,采用有限元方法对桨叶应力进行计算分析。以5叶侧斜桨为算例,得到的推力系数、转矩系数与敞水试验值具有较好的一致性,得到的桨叶应力结果与理论分析相吻合,本方法可对桨叶应力进行准确的数值预报。

一种复合材料桨叶气动弹性优化设计方法

考虑到直升机旋翼流场的复杂性,准确的气动力计算需要采用计算流体力学(CFD)方法,而旋翼桨叶由于展弦比较大,几何非线性效应突出,采用计算流体力学和有限元分析(CFD-FEA)方法实现桨叶的单次双向流固耦合分析就需要大量的时间,对优化设计而言,计算量难以承受。针对CFD/FEA耦合计算气动弹性特性的精度和高效性问题,通过PCA提取耦合系统的特征,基于径向基(RBF)神经网络建立气动力降阶模型,代替CFD求解器用于旋翼桨叶的气动弹性分析。将其计算结果与CFD/FEA耦合计算结果进行了对比。研究结果表明,该降阶模型是可行、高效、精确的,可以快速准确地进行复合材料直升机桨叶气动弹性优化设计研究。

船用柴油机喷嘴液力负荷有限元分析及结构改进

建立了某船用柴油机喷嘴内部流动的三维CFD计算模型,用计算流体力学软件AN SY S-FLOTRAN对喷嘴内的三维流动进行了模拟分析,得到了喷嘴内部的液压分布,然后将该结果作为边界条件对喷嘴的液力负荷进行了三维有限元分析.结果表明,在高压液力负荷作用下,喷嘴头部的应力梯度较大,喷孔进口内侧上端应力值最大,且存在应力集中.在喷孔进口处倒一半径为0.05 mm的圆角,再次对喷嘴的液力负荷进行分析,发现喷孔进口内侧上端的应力值降低了34%,应力集中也得到了有效缓解.

运用现代CAE工具开发大容量汽轮机的关键部件——末级长叶片

末级长叶片是汽轮机机组的关键部件之一。汽轮机的效率和末级叶片的排汽面积(叶片高度)息息相关。近年来伴随着高参数汽轮机以及半转速大容量汽轮机在国内的推广应用,一系列长度为1 000 mm以上的全速长叶片以及1 600 mm至1 900 mm等级的半速长叶片的开发都被提上了议事日程,其中1 710 mm叶片是一个已经实际开发成功的产品。以其为例对长叶片开发所涉及的方法,包括一些针对长叶片的新思路,进行阐述,重点对采用现代CAE工具开发长叶片的过程进行了论述。通过比较不同方法得到的计算结果以及试验结果,证明当前将商业CAE程序应用到长叶片的工程研发领域,可以同时满足精度和效率的要求。

柴油机缸套耦合传热有限元分析

综合考虑燃烧室燃气侧及冷却水套侧共同传热的影响,在额定工况下对四缸增压柴油机缸套的传热过程进行模拟计算.通过对发动机缸内工作过程进行三维仿真分析,对冷却水套进行CFD模拟计算,得出燃气侧和水套侧温度和传热系数边界条件,并完成缸套的温度耦合有限元传热分析.研究结果表明:缸套上部出现温度峰值,最大值为472 K,与实验值有较好的吻合.

热电薄膜型气体流量传感器的热模拟分析

利用有限元分析工具ANSYS/FLOTRAN ,模拟并分析了一个基于薄膜结构的热电型气体流量传感器的温度场。并具体地分析了在气体流量通道入口处气体的流向角度对传感器输出信号以及气体流动状态的影响。将最终的模拟计算结果与实验数据进行比较 ,发现二者基本吻合。利用此热学模型来模拟和分析此类传感器 ,不但可以减少大量的模拟分析过程而且可以降低计算的复杂度 ,另外也为此类传感器的设计和验证提供了一个非常简单而有效的方法和依据。