复合隔热组合活塞结构设计及优化
发布时间：2021-12-30 18:04
提出一种采用空气和隔热衬垫复合隔热的钢顶铝裙活塞,其中活塞顶、隔热衬垫和铝裙通过4个对称螺栓连接.为了解该活塞结构特性,开展组合活塞热边界分析,并进行活塞温度场仿真与试验测试对比,揭示空气隔热腔及隔热衬垫对整体活塞温度场的影响.结果表明:经活塞环槽区输出的热流减小约为20%,后续进行组合活塞机械应力及接触面压对比分析,验证了仿真模型的有效性.在此基础上进一步开展活塞热机应力分析,针对隔热衬垫与活塞顶接触面应力状态较差的部位,通过组合活塞结构匹配优化降低了结构应力幅值、改善了应力分布,其中应力幅值降低约为50%,据此最终完成复合隔热组合活塞设计.
【文章来源】：内燃机学报. 2020,38(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
传热有限元模型
偷既嚷式鹗舻娴母春细羧茸楹?活塞，该组合活塞结构设计重点关注活塞顶与隔热衬垫接触面不会由于热变形导致燃气泄露进入活塞气隙隔热腔．针对上述问题，首先在揭示空气隔热腔及隔热衬垫对组合活塞温度场影响的基础上，通过活塞热流传递并获得活塞温度场，其次进一步开展活塞热应力分析得到活塞应力状态，通过分析表明隔热衬垫与活塞顶接触面应力状态较差，针对上述问题进行关键组合结构匹配分析，以降低结构应力幅值、改善应力分布，形成合理的组合活塞结构方案，最终完成组合隔热活塞设计．1复合隔热组合活塞方案图1为复合隔热组合活塞示意，活塞直径为150mm，压缩高度为93.8mm，销孔直径为56mm，气隙腔直径为40mm．该组合活塞包括活塞顶、隔热衬垫、定位环、活塞体、活塞衬套、螺栓、镶圈、垫片和螺母．其中，螺栓头部嵌入活塞顶并与活塞顶采用过盈配合连接，镶圈与活塞体过盈配合连接，定位环嵌入活塞体并与活塞体过盈配合连接，活塞衬套与活塞体均为过盈配合连接，而定位环与活塞顶径向、隔热衬垫与定位环径向设置一定间隙，如图1中的放大图1复合隔热组合活塞方案Fig.1Structureofthecompositeinsulatedpiston部分．隔热衬垫与活塞顶接触侧喷涂有陶瓷隔热涂层，垫片与螺母为球形接触，缓解由于热变形对于螺栓应力的影响．组合活塞主要零件所用材料为：活塞顶、螺栓和隔热衬垫材料为耐热钢；定位盘、螺母和垫片材料为合金钢；活塞体材料为锻铝；铜衬套材料为硅黄铜；镶圈材料为硼酸铝纤维．上述材料均考虑了材料物理特性和机械特性随温度变化的非线性影响．2复合隔热组合活塞温度场分析2.1热边界分析新型复合隔热组合活塞不同区域的换热边界直接影响活塞温度场及热应力的计算结果，限于篇幅，仅简述组合活塞不同?
·474·内燃机学报第38卷第5期空间内，通过壁面与空气间的对流换热、不同壁面之间和间接的通过空气介质进行的辐射换热，热量由封闭有限空气间隙结构的高温壁传到它的低温壁而进行的复杂物理过程．因此，这种问题不是单纯的某种传热过程，而应该是包括热传导、对流及辐射相互作用下的复合热过程．通过Fluent软件计算气隙腔气隙表面与结构体界面的换热系数．图2所示将空气隙壁面分为3个区且各个区的壁面初始温度分布是：上顶面为604℃，侧面为458℃，下底面为215℃．初始时刻计算区域内的流体为空气，初始温度为15℃．湍流模型釆用标准壁函数法求解、k-ε模型，辐射模型采用DO模型．通过计算得到气隙腔的上表面、下表面和侧壁面在标定转速(2500r/min)下通过多次迭代计算后得到的对流换热系数分别为41.28、-30.63和16.34W/(m2·K)，其中顶面和侧面对流换热系数为正，且顶面换热效果明显优于侧面，主要以对流换热为主，而底面的对流换热系数为负，主要以吸热为主．隔热衬垫与活塞顶接触面上喷涂有陶瓷隔热涂层，通过试验测定，隔热涂层在不同温度下的传热系数如图3所示．图2气隙腔换热分析模型Fig.2Heattransfermodeloftheairgap图3隔热涂层热导率随温度变化Fig.3Variationofthermalconductivityofinsulationgasketcoatingswithtemperature2.1.4隔热衬垫与活塞体接触热阻组合活塞受热变形与整体活塞热变形类似，为中心上凸的喇叭状变形，而隔热衬垫在热工况和热机工况下与活塞体交替发生接触和间隙，其中接触状态热阻通过隔热衬套与活塞体试样接触试验测定，如图4所示，而间隙状态下直接为空气热阻．另外，定位环与活塞顶径向、隔热衬垫与定位环径向也存在间隙，但考虑到此间隙较小，在初始计算过程?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微动特性的组合活塞顶和裙部结合面优化设计[J]. 王一,李林剑,巫立民,李梅,崔毅. 内燃机学报. 2018(04)
[2]机车柴油机组合活塞的换热边界条件及热负荷[J]. 楼狄明,张志颖,王礼丽. 同济大学学报(自然科学版). 2005(05)
硕士论文
[1]复合隔热活塞气隙隔热机理研究及整体结构设计[D]. 赵冠华.北京理工大学 2016
本文编号：3558714
【文章来源】：内燃机学报. 2020,38(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
传热有限元模型
偷既嚷式鹗舻娴母春细羧茸楹?活塞，该组合活塞结构设计重点关注活塞顶与隔热衬垫接触面不会由于热变形导致燃气泄露进入活塞气隙隔热腔．针对上述问题，首先在揭示空气隔热腔及隔热衬垫对组合活塞温度场影响的基础上，通过活塞热流传递并获得活塞温度场，其次进一步开展活塞热应力分析得到活塞应力状态，通过分析表明隔热衬垫与活塞顶接触面应力状态较差，针对上述问题进行关键组合结构匹配分析，以降低结构应力幅值、改善应力分布，形成合理的组合活塞结构方案，最终完成组合隔热活塞设计．1复合隔热组合活塞方案图1为复合隔热组合活塞示意，活塞直径为150mm，压缩高度为93.8mm，销孔直径为56mm，气隙腔直径为40mm．该组合活塞包括活塞顶、隔热衬垫、定位环、活塞体、活塞衬套、螺栓、镶圈、垫片和螺母．其中，螺栓头部嵌入活塞顶并与活塞顶采用过盈配合连接，镶圈与活塞体过盈配合连接，定位环嵌入活塞体并与活塞体过盈配合连接，活塞衬套与活塞体均为过盈配合连接，而定位环与活塞顶径向、隔热衬垫与定位环径向设置一定间隙，如图1中的放大图1复合隔热组合活塞方案Fig.1Structureofthecompositeinsulatedpiston部分．隔热衬垫与活塞顶接触侧喷涂有陶瓷隔热涂层，垫片与螺母为球形接触，缓解由于热变形对于螺栓应力的影响．组合活塞主要零件所用材料为：活塞顶、螺栓和隔热衬垫材料为耐热钢；定位盘、螺母和垫片材料为合金钢；活塞体材料为锻铝；铜衬套材料为硅黄铜；镶圈材料为硼酸铝纤维．上述材料均考虑了材料物理特性和机械特性随温度变化的非线性影响．2复合隔热组合活塞温度场分析2.1热边界分析新型复合隔热组合活塞不同区域的换热边界直接影响活塞温度场及热应力的计算结果，限于篇幅，仅简述组合活塞不同?
·474·内燃机学报第38卷第5期空间内，通过壁面与空气间的对流换热、不同壁面之间和间接的通过空气介质进行的辐射换热，热量由封闭有限空气间隙结构的高温壁传到它的低温壁而进行的复杂物理过程．因此，这种问题不是单纯的某种传热过程，而应该是包括热传导、对流及辐射相互作用下的复合热过程．通过Fluent软件计算气隙腔气隙表面与结构体界面的换热系数．图2所示将空气隙壁面分为3个区且各个区的壁面初始温度分布是：上顶面为604℃，侧面为458℃，下底面为215℃．初始时刻计算区域内的流体为空气，初始温度为15℃．湍流模型釆用标准壁函数法求解、k-ε模型，辐射模型采用DO模型．通过计算得到气隙腔的上表面、下表面和侧壁面在标定转速(2500r/min)下通过多次迭代计算后得到的对流换热系数分别为41.28、-30.63和16.34W/(m2·K)，其中顶面和侧面对流换热系数为正，且顶面换热效果明显优于侧面，主要以对流换热为主，而底面的对流换热系数为负，主要以吸热为主．隔热衬垫与活塞顶接触面上喷涂有陶瓷隔热涂层，通过试验测定，隔热涂层在不同温度下的传热系数如图3所示．图2气隙腔换热分析模型Fig.2Heattransfermodeloftheairgap图3隔热涂层热导率随温度变化Fig.3Variationofthermalconductivityofinsulationgasketcoatingswithtemperature2.1.4隔热衬垫与活塞体接触热阻组合活塞受热变形与整体活塞热变形类似，为中心上凸的喇叭状变形，而隔热衬垫在热工况和热机工况下与活塞体交替发生接触和间隙，其中接触状态热阻通过隔热衬套与活塞体试样接触试验测定，如图4所示，而间隙状态下直接为空气热阻．另外，定位环与活塞顶径向、隔热衬垫与定位环径向也存在间隙，但考虑到此间隙较小，在初始计算过程?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微动特性的组合活塞顶和裙部结合面优化设计[J]. 王一,李林剑,巫立民,李梅,崔毅. 内燃机学报. 2018(04)
[2]机车柴油机组合活塞的换热边界条件及热负荷[J]. 楼狄明,张志颖,王礼丽. 同济大学学报(自然科学版). 2005(05)
硕士论文
[1]复合隔热活塞气隙隔热机理研究及整体结构设计[D]. 赵冠华.北京理工大学 2016
本文编号：3558714
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