柴油机活塞的有限元分析

发布时间：2017-03-20 08:13

  本文关键词：柴油机活塞的有限元分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：柴油机活塞作为柴油机的主要受热部件，既要承受较高的热负荷，又要承受较高的燃气压力，即机械负荷。随着现代人们对发动机性能的不断提高，以及国家对环境污染以及能源消耗的要求越来越严格，提高柴油机的功率、转速以及燃烧状况，成为了发展的必走之路。进一步提升功率和转速必定会使柴油机活塞的热负荷和机械负荷加重，于是活塞能否在高温高负荷下正常工作，也成为柴油机发展的重要部分。 本文研究的是IE6D275型柴油机活塞，，对其进行有限元分析，得出它在热负荷、机械负荷和热负荷和机械负荷共同作用下的温度分布、应力分布、变形分布。在热机耦合作用下其温度和应力值都偏大，对此提出了相应的改进措施。以下是本文研究的主要内容： 1.利用PRO/E对IE6D275型柴油机活塞建立其几何模型，并将其导入到有限元软件中进行网格划分，然后再模拟计算，所需的温度与传热系数等边界条件由内燃机工作过程模拟软件模拟和经验公式计算出，最后得到了单独的热负荷下活塞温度场、应力场和变形的分布。采用热塞试验法测量柴油机活塞的不同部位的温度值，跟模拟计算得出的温度分布进行对比，最后能够验证本文所建的活塞模型与模拟计算的结果的合理性。 2.柴油机活塞分别在单独的机械负荷下、热负荷和机械负荷耦合作用时，模拟计算出其温度场分布、应力场分布、变形分布的情况。分别对比只有热负荷作用时、只有机械负荷作用时和热负荷和机械负荷耦合作用时活塞的各分布情况，结果表明耦合作用下活塞的最高温度没有太大变化，其最高温度为375℃，最大应力值增大较多，其值为254.8MPa，最大变形量比热负荷下的变形量降低了，其值为0.342mm。通过分析其温度、应力以及变形分布，得出耦合作用下温度与应力值都偏大，均超过了材料的许用范围，所以提出了相应的改进方案。 3.采用底喷冷却和开冷却槽两种方法分别对活塞进行改进，分析对比各个结果并与无冷却降温措施时的模型进行对比，由结果可以看出，开冷却槽要比采用底喷冷却措施效果好。模拟三种冷却槽位置下活塞的温度分布，应力分布以及变形分布，选择模型B为最优方案。且经过模拟计算分析B型冷却槽，得出最高温度值为309℃，最大应力值为156MPa，最大变形量为0.242mm，所得结果都在材料的许用范围之内，因此选出最优的改进方式为模型B冷却槽。
【关键词】：活塞 有限元 温度 应力 变形 底喷冷却 冷却槽
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 符号说明9-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 引言10-11
• 1.2 柴油机活塞有限元分析研究的背景和意义11-13
• 1.3 柴油机活塞有限元研究的国内外发展状况13-15
• 1.4 本课题研究的对象及主要内容15-18
• 第二章 柴油机有限元分析基础18-24
• 2.1 有限元软件的介绍18-19
• 2.2 有限元软件热应力分析基本原理19-20
• 2.3 有限元分析中热应力问题中的物理方程20-22
• 2.4 有限元软件中边界条件的确定22-24
• 第三章 柴油机活塞热负荷研究24-36
• 3.1 柴油机活塞有限元模型建立及边界条件设置24-29
• 3.1.1 柴油机活塞的有限元模型的建立24-26
• 3.1.2 柴油机活塞边界条件设置26-29
• 3.2 柴油机活塞的热负荷分析29-32
• 3.2.1 柴油机活塞温度分布30-31
• 3.2.2 柴油机活塞的应力分布31-32
• 3.2.3 柴油机活塞的变形分布32
• 3.3 柴油机热负荷下活塞模型温度与试验温度验证32-36
• 第四章 柴油机活塞机械负荷研究36-48
• 4.1 柴油机活塞边界条件设置36-39
• 4.1.1 柴油机活塞所受各力计算36-37
• 4.1.2 柴油机活塞载荷的施加及边界约束37-39
• 4.2 柴油机活塞单独机械负荷分析39-41
• 4.2.1 柴油机活塞机械负荷下的应力分布39-40
• 4.2.2 柴油机活塞机械负荷下的变形分布40-41
• 4.3 柴油机活塞热——机耦合作用分析41-48
• 4.3.1 耦合作用下活塞的温度分布41-42
• 4.3.2 耦合作用下活塞的应力分布42-45
• 4.3.3 耦合作用下活塞的变形情况45-48
• 第五章 柴油机活塞热负荷改进48-66
• 5.1 底喷冷却对柴油机活塞的影响48-51
• 5.1.1 底喷冷却对活塞温度的影响48-49
• 5.1.2 底喷冷却对活塞应力的影响49-50
• 5.1.3 底喷冷却对活塞变形的影响50-51
• 5.2 加开冷却槽对活塞的影响51-53
• 5.2.1 冷却槽的位置及大小设置52
• 5.2.2 冷却油槽的边界条件设置52-53
• 5.3 加开冷却油槽后活塞的分布规律53-56
• 5.3.1 加开油槽后活塞的温度分布53-54
• 5.3.2 加开油槽后活塞的应力分布54-55
• 5.3.3 加开油槽后活塞的变形分布55-56
• 5.4 改变冷却槽位置对比活塞各分布情况56-66
• 5.4.1 加开冷却槽后的模型建立57-58
• 5.4.2 不同模型温度分布对比58-60
• 5.4.3 不同模型应力对比分布60-62
• 5.4.4 不同模型变形对比分布62-66
• 第六章 总结与展望66-68
• 6.1 全文总结66-67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果72-74
• 致谢74

【参考文献】

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本文编号：257474