280/285系列柴油机钢头铝裙组合活塞优化设计

论文摘要

活塞作为内燃机的关键零部件之一，它的工作情况直接关系到高速内燃机的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能。活塞的结构和所处的工作环境十分复杂，在工作状态下受到高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性载荷作用，产生机械应力和机械变形。高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部乃至整个活塞温度很高，且温度分布很不均匀，导致活塞产生热应力和热变形。热负荷和机械负荷耦合将导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸等。因此，在设计阶段对活塞进行温度场、应力场以及热负荷和机械负荷共同作用的耦合应力场进行有限元分析，了解活塞的热负荷状态和综合应力分布情况，进而改进活塞，提高其工作可靠性具有重要意义。本文就是在这个领域内所进行的一部分探索，开展了280／285型柴油活塞组与活塞销、连杆以及缸套耦合模型的1／4和1／2模型三维数值模拟研究。具体工作如下：1、论述了目前柴油机有限元分析领域的现状，详细分析了整体耦合思想的科学性和有效性，并提出未来的研究特点。2、结合有限元理论知识，论述了在柴油机活塞组与活塞销、连杆以及缸套耦合模型的1／4和1／2模型中会用到的一些有限元方法以及简单的常规疲劳强度设计方法。并为计算系统的有限元分析及疲劳分析奠定了理论基础。3、构建了1／4活塞整体装配的模型，并且将把活塞组、活塞销、连杆(小端)作为一个系统进行多方案计算分析，按照常规疲劳强度设计方法进行了疲劳分析并优选较佳方案，同时确立计算路线的合理性，最终为该型活塞提供优化方向。4、在1／4活塞计算分析的基础上，构建1／2活塞原方案和优化方案的整体装配的模型，并且将把活塞组、活塞销、连杆(小端)以及缸套作为一个系统进行计算分析，全面考虑作用在活塞上的载荷，并对原方案和优化方案进行了强度和疲劳评价，在与1／4活塞计算结果充分对比的基础上，从中优选出最佳方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 活塞研究的发展与现状
• 1.3 活塞有限元分析研究的发展现状
• 1.3.1 活塞有限元模型
• 1.3.2 边界条件的确定
• 1.3.3 活塞有限元分析研究
• 1.4 本课题研究的主要内容及意义
• 第一章 有限元法、疲劳分析概述及分析工具
• 1.1 有限元法概述
• 1.2 有限元法分析问题的一般模式
• 1.3 弹性接触理论
• 1.3.1 接触算法
• 1.3.2 接触分析中的几个问题
• 1.4 传热学分析理论
• 1.4.1 传热问题的数学描述
• 1.4.2 热传导问题的有限元法及热应力分析
• 1.5 常规疲劳分析方法
• 1.6 本课题研究所采用的分析工具
• 本章小结
• 第二章 1/4活塞模型多方案计算分析
• 2.1 计算方案及分析工作的内容
• 2.1.1 计算方案
• 2.1.2 组合活塞三维有限元分析的主要内容
• 2.1.3 荷载工况
• 2.2 组合活塞计算方案及其理想化
• 2.2.1 组合活塞模型
• 2.2.2 有限元离散模型
• 2.3 材料特性和边界条件
• 2.3.1 材料特性
• 2.3.2 机械负荷
• 2.3.3 热边界条件
• 2.3.4 接触负荷
• 2.3.5 位移约束
• 2.4 主要计算结果及分析
• 2.4.1 温度场分析
• 2.4.2 接触分析
• 2.4.3 活塞裙螺栓座面过渡圆角应力分析
• 2.4.4 螺栓应力分析
• 2.4.5 活塞裙小裆内过渡圆角应力分析
• 2.4.6 静强度分析
• 2.4.7 活塞裙螺栓座面过渡圆角疲劳分析
• 本章小结
• 第三章 1/2活塞模型计算分析
• 3.1 计算分析工作内容
• 3.1.1 组合活塞三维有限元分析的主要内容
• 3.1.2 荷载工况
• 3.1.3 计算方案
• 3.2 组合活塞计算方案及其理想化
• 3.2.1 组合活塞模型
• 3.2.2 有限元离散模型
• 3.3 材料特性和边界条件
• 3.3.1 材料特性
• 3.3.2 机械负荷
• 3.3.3 活塞温度场热边界条件的确定方法
• 3.3.4 接触负荷
• 3.3.5 位移约束
• 3.4 主要计算结果及分析
• 3.4.1 温度场分析结果
• 3.4.2 接触应力分析
• 3.4.3 静强度分析
• 3.4.4 活塞裙螺栓座面过渡圆角应力分析
• 3.5 活塞裙螺栓座面过渡圆角疲劳分析
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕（博）士学位期间发表的学术论文
• 致谢