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柴油机活塞热负荷与机械负荷的三维有限元耦合分析

作　者: 谢琰
导　师: 席明智
学　校: 内蒙古工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 活塞温度场应力场有限元耦合分析热疲劳
分类号: TK423
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

活塞作为内燃机的核心零部件之一,其所处的工作环境十分恶劣,在工作中不仅要承受高压燃气压力、惯性力、侧压力和摩擦力等周期性机械载荷作用,而且要承受高温燃气的热负荷作用,这些载荷将导致活塞产生开裂、活塞环胶结、卡环和拉缸等破坏。合理的结构可提高活塞的可靠性、耐久性,满足柴油机排放法规要求以及降低生产制造成本。因此,对活塞进行理论研究和有限元分析具有重要意义和实用价值。本课题的主要工作内容以及结论如下:(1)文中通过活塞表面特征测点的温度值,分析了铝硅合金活塞温度的分布情况。(2)基于Pro/E软件建立了ZH1105W柴油机缩口ω燃烧室活塞的三维几何模型。为了优化网格质量和缩短解题的时间,用ANSYS软件对活塞进行了面的分割处理、网格的智能划分以及部分网格的优化,温度场计算结果表明,优化后220741节点的活塞模型的计算结果与自由网格划分662827节点的活塞模型的计算结果基本一致。(3)通过与活塞特征测点温度值的试算比较,取得了活塞合理的换热边界条件,并计算分析了活塞的温度场,在温度场的基础上,采用有限元间接法对活塞热应力和热变形进行了分析。(4)本文还尝试建立了活塞、活塞销、部分缸套、连杆、部分曲轴的三维接触模型,模拟了活塞与活塞销、活塞销与连杆以及连杆与曲轴的相互作用,计算了活塞接触模型的机械应力和机械变形。(5)在热负荷和机械负荷的基础上对活塞进行了热机耦合应力场和变形的分析,计算结果表明,活塞头部以热应力为主,销座部分以机械应力为主,活塞变形以热变形为主。(6)最后对活塞进行了强度和低频热疲劳寿命分析,结果显示,活塞综合应力和变形都在活塞设计范围内,低频热疲劳寿命足够,但是第一环槽温度偏高,并提出了相应的改进措施。通过对ZH1105W柴油机铝硅合金活塞的有限元分析,获得该机活塞的温度场,应力场与变形场,这为柴油机活塞的开发设计和改进提供了一定的通用方法和参考。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-14
  1.1 活塞有限元数值模拟研究的背景和意义  9-10
  1.2 活塞有限元数值模拟研究的发展现状  10-12
    1.2.1 活塞有限元模型的建立  10-11
    1.2.2 活塞边界条件的确定  11-12
    1.2.3 活塞有限元数值模拟的深入研究  12
  1.3 本文的主要研究内容及意义  12-13
  1.4 小结  13-14
第二章活塞温度场试验的分析  14-24
  2.1 活塞温度场试验的背景和意义  14
  2.2 活塞温度场试验分析  14-20
    2.2.1 试验机型  14-15
    2.2.2 试验方案分析  15-16
    2.2.3 测试系统线路原理  16-18
    2.2.4 活塞测点布置原则及试验工况点  18-20
  2.3 温度场试验结果及分析  20-22
    2.3.1 柴油机活塞温度场试验结果及分析  20-21
    2.3.2 活塞温度测试值的比较分析  21-22
    2.3.3 柴油机活塞温度场测试系统误差分析  22
  2.4 小结  22-24
第三章活塞温度场有限元分析  24-38
  3.1 温度场分析的有限元理论  24-28
    3.1.1 传热的基本理论  24-26
    3.1.2 温度场的初始条件和三类边界条件  26-27
    3.1.3 温度场有限元分析  27-28
  3.2 活塞有限元模型的建立  28-30
    3.2.1 活塞几何模型的建立  28-29
    3.2.2 活塞有限元模型的建立  29
    3.2.3 活塞的材料物理特性  29-30
  3.3 活塞边界条件的确定  30-33
    3.3.1 活塞顶部边界条件  30-31
    3.3.2 活塞侧面边界条件  31-32
    3.3.3 活塞内腔和销孔的边界条件  32-33
  3.4 活塞温度场有限元分析  33-36
    3.4.1 柴油机活塞温度场有限元分析  33-36
    3.4.2 活塞计算值与试验值的对比  36
  3.5 小结  36-38
第四章活塞应力应变场有限元分析  38-57
  4.1 弹性理论基础  38-41
    4.1.1 弹性理论的基本方程  38-39
    4.1.2 弹性理论的边界条件  39-40
    4.1.3 弹性力学的求解  40-41
  4.2 活塞机械应力三维有限元分析  41-49
    4.2.1 活塞计算工况的选择及燃气爆发压力下的基本参数  41-42
    4.2.2 活塞的机械载荷计算及其处理  42-44
      4.2.2.1 活塞所受载荷的计算  42-43
      4.2.2.2 活塞所受载荷的传统处理方法  43-44
    4.2.3 ZH1105W 型柴油机活塞接触模型的建立  44-47
    4.2.4 活塞机械应力和变形分析  47-49
  4.3 活塞热应力与热变形三维有限元分析  49-52
    4.3.1 活塞热分析的基本过程  49
    4.3.2 活塞的约束  49-50
    4.3.3 活塞热应力和变形分析  50-52
  4.4 活塞热机耦合三维有限元分析  52-55
    4.4.1 活塞热机耦合应力分析  52-54
    4.4.2 活塞热机耦合变形分析  54-55
  4.5 小结  55-57
第五章活塞强度与热疲劳可靠性分析  57-62
  5.1 活塞强度分析  57-59
    5.1.1 活塞应力可靠性分析  57-58
    5.1.2 活塞应变可靠性分析  58
    5.1.3 活塞改进措施  58-59
  5.2 活塞热疲劳分析  59-61
    5.2.1 活塞热疲劳寿命估算  59-60
    5.2.2 活塞低频热疲劳分析  60-61
  5.3 小结  61-62
第六章结论和展望  62-64
  6.1 结论  62-63
  6.2 展望  63-64
参考文献  64-67
致谢  67-68
在攻读硕士期间发表的论文  68-69
作者简介  69

柴油机活塞热负荷与机械负荷的三维有限元耦合分析

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