热冲击问题的理论研究及其在内燃机中的应用

论文题目: 热冲击问题的理论研究及其在内燃机中的应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 车辆工程

作者: 伍茜

导师: 俞小莉

关键词: 热冲击,热弹性模型,偏微分方程,耦合,动力学效应,低温起动,有限元分析,图像差分法,活塞,发动机

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 发动机工作过程中活塞热负荷的重要特征之一是冲击性，这种热冲击载荷也是造成活塞热损伤的主要原因。为深入了解热冲击对活塞热状态的影响作用，为探明活塞热损伤的机理奠定基础，本文应用传热学和热弹性理论，开展了热冲击下受热构件热状态变化规律的理论研究，针对不同构件材料、初始温度以及冲击载荷性质，分析讨论了弛时间、动力学及温度一应变耦合效应对构件热状态的影响。在此研究基础上，通过合理的模型简化，对发动机启动和其它突变负荷工况下活塞的热冲击状态进行了数值仿真，从理论上探讨了启动温度、失火现象以及突卸负荷等因素对活塞热状态的影响。另外还结合热冲击模拟试验技术中现存的问题，开展了利用计算机图像处理方法进行燃烧火焰温度和表面热疲劳裂纹在线检测技术的开发工作。 为了研究松弛时间对构件热冲击过程的影响，选择半无限体为物理对象，采用Laplace变换及罗朗展开方法求解了典型的通用热弹性理论模型—Green and Lindsay(GL)模型，获得了阶跃热冲击载荷下构件热状态(模拟实际过程中构件被快速加热情况)的解析解。分析研究表明：(1)、考虑松弛时间后构件受热冲击的影响区域变大，其内部温度再次达到平衡所需时间增加；(2)、热冲击载荷强度和材料的导热能力直接影响松弛时间效应，载荷强度越大，导热能力越强，松弛时间效应越强；(3)、热激励的持续时间越短，松弛时间效应越明显。 其次在假设可以忽略松弛时间效应的前提下，重点研究了热冲击下弹性体的动力学耦合效应对其热状态的影响。选择大平板为物理对象，采用顺序模型、准静态耦合模型以及经典动力学耦合模型分别进行了求解，对比分析了弹性体纯动力学效应、纯耦合效应以及动力学耦合效应对热冲击过程的影响，进行了不同形式冲击载荷下平板热状态的模拟。仿真结果表明：(1)、随着热冲击持续时间的增加，平板热状态逐渐趋于平衡，其中耦合效应对平板温度、热应力的影响逐渐减弱，动力学效应对平板温度的影响减弱，而对平板热应力的影响在全过程中都比较显著；(2)、惯性项会抑制热应力的增加，其对热应力的影响范围可以遍及整块平板。因此进行热冲击研究时，不能忽

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 相关研究工作进展

1.2.1 概述

1.2.2 热弹性本构方程的研究

1.2.3 活塞热冲击试验及其裂纹检测方法

1.2.4 发动机低温起动的研究现状

1.3 课题的难点分析及解决方案

第2章 考虑松弛时间效应的热冲击问题的理论研究

2.1 GL模型简介及基础分析

2.2 GL模型初边值问题求解

2.3 松弛时间的影响范围

2.4 影响松弛时间作用强度的因素

2.4.1 材料的热物性参数的影响

2.4.2 热冲击载荷强度的影响

2.4.3 初始温度的影响

2.5 本章小结

第3章 考虑动力学耦合效应的热冲击问题的理论研究

3.1 物理模型描述

3.2 顺序模型求解动力学效应问题

3.2.1 模型描述

3.2.2 模型的解析求解及分析

3.2.3 主要结果及其分析

3.3 准静态模型求解耦合效应问题

3.3.1 模型描述

3.3.2 模型的解析求解

3.3.3 主要结果及其分析

3.4 经典耦合模型

3.4.1 模型描述

3.4.2 模型的数值求解

3.4.3 主要结果及其分析

3.5 动力学效应、耦合效应以及联合效应的对比分析

3.6 载荷的冲击形式对平板热状态的影响

3.7 本章小结

第4章 发动机变工况下活塞热状态的仿真研究

4.1 活塞有限元分析模型

4.1.1 150活塞的有限元模型

4.1.2 活塞导热-运动的数学模型

4.1.3 活塞边界条件的施加

4.2 正常起动工况下活塞热状态的仿真研究

4.2.1 起动工况热冲击载荷模式的研究

4.2.2 材料物性参数非线性对活塞热状态的影响

4.2.3 启动温度对活塞热状态的影响

4.3 低温启动时失火现象的模拟

4.4 突减负荷工况时活塞热状态的仿真

4.5 本章小结

第5章 图像处理方法在活塞热冲击试验中的应用研究

5.1 数字图像处理的预备知识

5.1.1 图像成像、采集设备

5.1.2 彩色图像空间及数字图像的存储

5.1.3 图像分割与识别

5.2 图像监控系统软、硬件介绍

5.3 使用图像处理方法提取活塞顶部裂纹

5.3.1 图像定位

5.3.2 图像差分

5.3.3 处理结果分析

5.4 图像法在测量火焰相对温度上的应用

5.5 本章小结

第6章 全文工作总结与展望

附录

参考文献

读博期间发表论文

致谢

图目录

表目录

发布时间: 2006-11-22

参考文献

• [1].柴油机活塞热冲击问题的试验研究[D]. 谭建松.浙江大学2005
• [2].活塞热冲击与随机传热过程的研究[D]. 沈季胜.浙江大学2002

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