活塞的热分析及底喷冷却研究

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。因此,在设计阶段对活塞温度场进行有限元分析,并且采取有效的措施降低其热负荷是非常必要的,以便改进活塞机构,提高其工作可靠性。本文在大连柴油机厂的帮助下,利用硬度塞测温法获得了额定工况下活塞表面关键点的温度值;应用三维建模软件Pro/E对该厂的6110型柴油机活塞进行三维建模,然后将活塞的三维模型导入到有限元分析软件ANSYS中进行数值模拟,在实测温度值的指导下反复计算,得到额定工况下活塞三维稳态温度场;在此基础上,并对活塞的内腔进行底喷冷却以达到降低活塞热负荷的目的。除此之外,还对活塞油冷却方式进行对比,得出连杆小端的喷油冷却对活塞燃烧室中心部位温度降低明显;而对降低热负荷较大的活塞顶部以及第一环槽的温度不明显。要想更好的改善活塞的热负荷,应该采用固定在机体上喷嘴配合活塞的冷却通道进行活塞的冷却方法。通过以上有限元分析、温度场分析及底喷冷却研究,为该型柴油机活塞的改进提供一定的理论依据,同时也为大连柴油机厂生产的其他系列产品的有限元分析计算提供了参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 活塞热分析的背景和意义
• 1.2 热分析的数值模拟现状
• 1.3 活塞有限元分析方法的进展
• 1.3.1 二维模型向三维模型的转变
• 1.3.2 单件模型与耦合模型方法的比较
• 1.3.3 活塞的对称和非对称模型的研究
• 1.3.4 稳态传热和瞬态传热研究
• 1.4 本论文研究的主要内容和意义
• 2 活塞热分析理论
• 2.1 活塞的热状态
• 2.2 活塞热分析原理
• 2.2.1 热分析的理论基础
• 2.2.2 温度场的三类边界条件和初始条件
• 2.2.3 温度场在空间域上的离散化
• 2.3 热弹性理论
• 2.3.1 热弹性理论的基本方程
• 2.3.2 热应力的求解
• 3 活塞温度场的实验研究
• 3.1 活塞温度场实验的背景和意义
• 3.2 现有活塞温度的测试方法及原理
• 3.2.1 活塞温度的常规测试方法及原理
• 3.2.2 活塞温度的非常规测试方法及原理
• 3.3 本课题活塞温度场测试方案
• 3.4 硬度塞材料及试验设备
• 3.5 活塞温度场实验
• 3.5.1 硬度塞硬度与回火温度关系曲线的标定
• 3.5.2 测点的布置与安装
• 3.6 测试过程和结果分析
• 3.6.1 活塞温度的测试过程
• 3.6.2 测试结果分析
• 3.7 温度实验误差分析
• 3.8 小结
• 4 活塞温度场的三维数值模拟
• 4.1 活塞形状、材料特性和三维有限元模型的建立
• 4.2 活塞传热边界条件的确定
• 4.2.1 活塞顶部换热系数和燃气的平均温度
• 4.2.2 活塞侧面的换热系数和环境温度
• 4.2.3 活塞内侧与曲轴箱内油雾之间的放热系数
• 4.2.4 活塞各表面的综合换热系数和环境温度
• 4.3 活塞温度场的三维有限元分析
• 4.4 小结
• 5 活塞的底喷冷却研究
• 5.1 活塞冷却的必要性
• 5.1.1 铝合金的高温性能
• 5.1.2 发动机润滑油的高温化和活塞环胶着
• 5.1.3 活塞其它方面的冷却要求
• 5.2 活塞的冷却方式
• 5.3 活塞的底喷冷却
• 5.3.1 底喷冷却方案
• 5.3.2 喷嘴参数的确定及计算
• 5.4 底喷冷却后活塞三维温度场分析
• 5.5 活塞油冷却方式的对比
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢