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柴油机活塞热负荷和机械负荷耦合研究

作　者: 何振鹏
导　师: 张俊红
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 活塞温度场热负荷机械负荷热机耦合传热系数热流密度
分类号: TK423
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

活塞是发动机的关键零部件之一,活塞工作的可靠性、耐久性直接关系到发动机的整体性能。活塞工作环境恶劣,承受很高的热负荷和机械负荷,热负荷主要是活塞顶面高温燃气引起的,高温燃气不仅使活塞顶部温度比较高,同时会引起活塞的许多部位热流密度比较大。活塞的机械负荷主要是由于活塞在运动过程中要承受爆发压力、往复惯性力、侧向力、摩擦力等机械载荷。实际工作中活塞是在两种负荷共同作用下工作的,因此使得活塞在工作中的应力应变分析变得复杂。本文采用有限元方法对某柴油机活塞的温度进行分析,得到活塞的温度分布规律,并将活塞温度分布结果代入到多体动力学分析模型中来分析活塞的侧推力,分析结果表明温度是通过改变连杆轴线偏离气缸轴线的角度来影响侧推力的。在此基础上,分析侧推力对活塞的应力分布所产生的影响,计算活塞在热负荷、机械负荷和热机负荷耦合作用下活塞的应力和变形,结果表明侧推力会导致活塞裙部、环槽、活塞销座根部应力增加,在活塞热机耦合分析中,活塞变形主要是热变形。同时研究结果为降低侧推力对活塞应力的影响以及深入了解活塞应力和变形受各种负荷影响情况提供了理论基础。为了研究燃烧室顶面边界条件对活塞的热负荷的影响,运用CFD数值分析方法对燃烧室顶面的燃烧情况进行分析,并分析了不同曲轴转角下燃烧室内活塞附近的燃气温度分布、速度分布、密度分布,计算结果表明活塞顶部附近的传热系数、热流密度与燃烧室内活塞表面燃气的速度分布、密度有关,在压缩行程活塞顶部的燃烧室喉口热流密度最大,主要是由燃烧室内部的流体速度分布引起的,膨胀过程中燃烧室底部、燃烧室喉口处的热流密度比较高,主要是由于燃烧室内部燃油着火和内部流场引起的。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-16
  1.1 课题背景和意义  9-10
  1.2 活塞热负荷及其耦合分析研究概况  10-14
    1.2.1 活塞热负荷研究现状  10-11
    1.2.2 活塞热机耦合研究现状  11-12
    1.2.3 活塞有限元分析发展和活塞有限元建模方法  12-14
  1.3 本文主要研究内容  14-16
第二章活塞热分析与有限元分析理论  16-27
  2.1 引言  16
  2.2 活塞热分析理论  16-20
    2.2.1 活塞热分析的基础  16-17
    2.2.2 传热的三类边界条件  17-18
    2.2.3 有限元解决活塞传热问题原理  18-20
  2.3 有限元解决活塞应力和应变问题原理  20-27
    2.3.1 有限元求解弹性力学的基本方法  20-21
    2.3.2 单元位移插值函数分析有限单元  21-23
    2.3.3 有限单元上的应力分析  23
    2.3.4 考虑温度引起的初应变的应力应变分析  23-24
    2.3.5 单元节点力与节点位移的关系  24-25
    2.3.6 最小势能原理  25-27
第三章活塞温度场分析  27-40
  3.1 活塞传热边界条件  27-31
    3.1.1 活塞顶部传热边界条件  27-29
    3.1.2 活塞内腔和冷却油腔传热边界条件  29
    3.1.3 活塞侧面传热边界条件  29-31
  3.2 活塞材料参数  31-32
  3.3 活塞二维传热分析  32-35
  3.4 活塞三维传热分析  35-38
    3.4.1 活塞三维几何模型和几何参数  35-36
    3.4.2 活塞三维有限元模型  36-37
    3.4.3 活塞三维有限元温度场结果分析  37-38
  3.5 本章小结  38-40
第四章机械负荷研究和活塞热机耦合分析  40-54
  4.1 引言  40
  4.2 活塞热机耦合建模  40-41
  4.3 活塞机械负荷边界条件  41-48
    4.3.1 活塞顶面压力  41-42
    4.3.2 活塞往复惯性力  42
    4.3.3 活塞侧推力  42-48
  4.4 活塞热机耦合结果分析  48-53
    4.4.1 惯性力和气体爆发压力作用下活塞应力和变形分析  48-49
    4.4.2 热负荷作用下活塞应力和变形分析  49-50
    4.4.3 热负荷和爆发压力、惯性力下活塞应力和变形  50-51
    4.4.4 机械负荷作用下活塞应力应变分析  51-52
    4.4.5 热机耦合作用下活塞应力和变形分析  52-53
  4.5 本章小结  53-54
第五章活塞流固耦合分析初探  54-66
  5.1 引言  54-56
    5.1.1 柴油机燃烧过程计算基本方程  55-56
    5.1.2 计算选用的模型  56
  5.2 燃烧三维模型和计算条件  56-58
  5.3 模型验证  58
  5.4 柴油机燃烧室内部热场分析  58-65
    5.4.1 活塞顶部附近燃气密度分析  59-60
    5.4.2 活塞顶部附近燃气速度分析  60-62
    5.4.3 活塞附近流体传热系数分析  62-63
    5.4.4 活塞附近流体温度分析  63-64
    5.4.5 活塞附近流体热流密度分析  64-65
  5.5 本章小结  65-66
第六章总结与展望  66-69
  6.1 全文总结  66-67
  6.2 展望  67-69
参考文献  69-73
发表论文和科研情况说明  73-74
致谢  74

柴油机活塞热负荷和机械负荷耦合研究

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