柴油机活塞顶部阳极氧化处理对结构可靠性的影响

发布时间：2020-06-08 04:10

【摘要】：为了满足现代工业发展要求,柴油发动机不断向高功率、高负荷方向发展,作为柴油机核心部件之一的活塞将承受着更大的热负荷和机械负荷。目前柴油机活塞承受的最大爆发压力已超过20MPa,如此恶劣的工作环境给活塞的可靠性带来了严峻挑战。通过对柴油机活塞顶部进行硬质阳极氧化处理,利用氧化层热导率低的特性可以有效降低活塞基体温度;同时由于氧化层与基体金属之间结合紧密且两者热膨胀系数不同,高温状态下被氧化层覆盖的活塞顶面受到拉应力作用从而改变活塞顶面原有的应力状态,合理利用这一特性改善活塞顶面应力状态可以有效减少顶面裂纹产生。此外氧化层还具有良好的耐磨性和耐腐蚀性,进一步提高了活塞的可靠性。所以研究如何对柴油机活塞顶部进行合理的硬质阳极氧化处理,对减少活塞疲劳失效、提高活塞可靠性具有重要意义。本文以某型号柴油机活塞作为研究对象,根据氧化区域不同设计三种方案,每种方案包括七种不同氧化层厚度。通过有限元软件对不同氧化层的活塞温度场、应力场以及疲劳寿命进行模拟,并结合硬度塞测温试验、热疲劳测试试验和气蚀循环试验的结果综合分析硬质阳极氧化处理对活塞可靠性的影响。本文主要研究结果如下:(1)氧化层热导率仅为活塞基体热导率的八分之一,良好的隔热性能使得氧化层在活塞顶部起到了热障作用,从而整体降低活塞头部的温度,活塞的最大热应力和热变形也相应的减少。模拟结果表明:1号方案氧化层厚度每增加25μm,活塞基体最高温度下降1.63℃;2号方案氧化层厚度每增加25μm,活塞基体最高温度下降1.35℃;3号方案氧化层厚度每增加25μm,活塞基体最高温度下降1.08℃。总体趋势为氧化层越厚、覆盖区域越广,则活塞高温区域温度下降越明显,而活塞低温区域温度变化不明显。仅从降温角度看,1号方案为最佳方案。(2)原始活塞顶部在活塞销方向受拉应力作用,在垂直活塞销方向受压应力作用,活塞顶面和喉口处应力值最大而最易形成开裂。高温状态下在活塞顶部合理布置氧化层可以有效的改善活塞顶面原有应力状态,从而减少顶面开裂以提高活塞可靠性。模拟结果表明:1号方案会增大燃烧室侧面和底面受到的拉应力而容易导致开裂。2号方案活塞销方向喉口处被氧化,进一步增大该区域受到的拉应力而容易导致开裂。3号方案能够最为合理的改善活塞顶面应力状态。(3)对普通活塞和硬氧活塞进行热疲劳测试的结果表明,对活塞顶面进行合理的硬质阳极氧化处理可以大幅度提高活塞疲劳寿命。燃烧室喉口开裂循环试验结果表明,硬氧活塞可靠性高于普通活塞,但氧化层布置不合理反而会导致新的开裂产生,氧化层良好的耐磨性和耐腐蚀性对提高活塞可靠性也起着重要作用。
【图文】：

硬氧活塞喉口开裂Fig.1.1Crackofhardoxygenpistonthroat

将连续场函数的（偏）微分方程的求解问题转化为有限个参数的代数方程组的求解问题。图2.1 为连续区域采用有限元方法离散化前后示意图，有限元通过离散化可以得到问题的解析解而非准确解，，在区域边界上会进行近似替代。目前绝大多数实际问题的准确解是难以获得的，相比其他计算方法，有限元法具备相当高的精确度并且效率较高，所以在复杂的工程问题分析中发挥着重要作用。(a) 区域离散前 (b) 区域离散后图 2.1 连续区域有限元方法离散化前后示意图Fig.2.1 Continuous area discretization with the finite element method有限元法解决实际问题的基本步骤：（1）离散化离散化是将连续问题区域分解为有限个子区域的过程。有限元计算的核心就是离散化，在实际问题的分析中具体表现为对几何模型的网格划分。目前应用较为广泛的Hypermesh、ICEM 等商用有限元软件都能实现对所构建物理模型的自适应性网格划分。
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK423

【参考文献】

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本文编号：2702522