柴油机活塞结构强度和传热的影响因素研究

发布时间：2017-05-21 14:14

  本文关键词：柴油机活塞结构强度和传热的影响因素研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着排放法规的日益严格,高转速、高功率、低油耗和低排放等特性已逐渐成为内机发展的主流方向。为了提高发动机的功率和转速,必须考虑其在温度和强度方面的需求。活塞作为柴油机的主要受热零件,经常处于高温、高速和高周期性热负荷作用的工作环境中,冷却困难。而其结构强度与传热特性是影响发动机耐久性、可靠性和经济性的关键。所以,改进活塞的结构设计对发动机强度的提高至关重要。为了寻找活塞结构参数对其传热特性和结构强度的影响规律,文章以某增压柴油机为研究对象,采用三维有限元分析法进行了一系列的研究工作。 (1)活塞热机耦合应力和变形的有限元分析与计算 首先,根据经验公式估算活塞外表面热边界条件,并利用Fire软件对内冷油腔进行CFD计算,通过映射得到活塞内冷油腔表面的热边界条件。然后,根据活塞表面特征点温度实测值,利用ABAQUS软件结合试算法得到活塞外表面的热边界条件和活塞温度场。最后,将温度场作为热预载荷计算出活塞的热机耦合应力和变形。 (2)内冷油腔结构参数对活塞传热特性和结构强度的影响研究 通过有限元方法(FEM)和数值模拟方法研究了不同内冷油腔结构参数对活塞传热和结构强度的影响。分析结果表明：内冷油腔的存在对活塞的传热和强度都有影响。在活塞头部增加油腔可以改善其传热,但同时也会削弱活塞整体的结构强度。适当减小油腔表面积可改善顶面受热,并降低了油腔、回油孔和销座位置的应力和变形。适当将内冷油腔向顶面移动可明显改善活塞头部的传热特性,并使活塞头部、销孔和回油孔位置的结构强度增强。通过正交试验分析发现,内冷油腔表面积对活塞温度和变形的影响最大,内冷油腔中心线距顶面距离对应力分布的影响最大。正交试验的最优组合为：截面形状为等截面型,中心线距顶面19mm,而油腔表面积为6627mm2。 (3)活塞其他主要结构参数对其传热特性和结构强度的影响研究 通过三维有限元方法研究了不同活塞结构参数对其传热特性和结构强度的影响。分析结果表明：销座长度对活塞传热特性影响不大,对销座的结构强度影响较大,增大销座长度可降低此处应力。销座直径对销座位置的传热和强度存在较大影响；增大直径销座温度升高同时应力减小,但回油孔位置应力增大。火力岸厚度对活塞头部传热特性以及销座和内冷油腔的结构强度影响较大；火力岸厚度增大,头部温度升高变形减小,销座和油腔表面应力增加。同侧回油孔间的距离对活塞顶面、回油孔和内冷油腔强度有影响;适度增加距离,回油孔和油腔应力减小,顶面应力增加。通过正交试验分析发现,火力岸厚度对活塞温度和变形影响最大,销座直径对应力分布影响最大。正交试验的最优组合为：销座长度80.5mm,销座直径35mm,火力岸厚度8mm,回油孔相对位置52mm。
【关键词】：柴油机 活塞 有限元分析 传热特性 结构强度
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究目的及意义11-12
• 1.2 国内外研究动态和现状12-17
• 1.2.1 活塞传热特性和结构强度的研究12-14
• 1.2.2 内冷油腔的研究14-17
• 1.3 本文研究的主要内容17-19
• 第二章 活塞热分析与有限元分析理论基础19-25
• 2.1 活塞热分析理论基础19-23
• 2.1.1 热传递的相关理论19-21
• 2.1.2 流体流动与传热控制21
• 2.1.3 弹性力学理论基础21-23
• 2.2 活塞有限元分析的发展23-25
• 2.2.1 有限元的发展与进步23
• 2.2.2 有限元法在活塞相关研究中的应用23-25
• 第三章 活塞热机耦合应力与变形的有限元分析与计算25-41
• 3.1 有限元分析模型的建立25-26
• 3.1.1 几何模型25
• 3.1.2 网格模型25-26
• 3.1.3 材料属性26
• 3.2 边界条件的计算与确定26-33
• 3.2.1 活塞外表面热边界条件的计算26-30
• 3.2.2 内冷油腔的流固耦合计算与分析30-32
• 3.2.3 定义接触边界条件32
• 3.2.4 约束边界条件的建立32-33
• 3.3 活塞温度场计算33-35
• 3.3.1 计算过程33-34
• 3.3.2 计算结果与分析34-35
• 3.4 活塞热机耦合计算35-40
• 3.4.1 计算过程36
• 3.4.2 耦合应力计算结果与分析36-37
• 3.4.3 关键点安全系数计算与分析37-38
• 3.4.4 耦合变形计算结果与分析38-40
• 3.5 小结40-41
• 第四章 内冷油腔结构参数对活塞传热和强度的影响41-59
• 4.1 有无内冷油腔的影响41-44
• 4.1.1 温度场结果分析与对比41-42
• 4.1.2 耦合应力结果分析与对比42-44
• 4.1.3 综合变形结果分析与对比44
• 4.2 不同内冷油腔表面积的影响44-50
• 4.2.1 内冷油腔CFD计算结果分析与对比45-47
• 4.2.2 温度场结果分析与对比47-48
• 4.2.3 耦合应力结果分析与对比48-50
• 4.2.4 综合变形结果分析与对比50
• 4.3 不同中心线到顶面之间的距离的影响50-53
• 4.3.1 温度场结果分析与对比50-52
• 4.3.2 耦合应力结果分析与对比52-53
• 4.3.3 综合变形结果分析与对比53
• 4.4 各参数对活塞传热和强度的正交试验分析53-58
• 4.4.1 正交试验设计54
• 4.4.2 正交试验结果分析54-58
• 4.5 小结58-59
• 第五章 活塞其他结构参数对其传热和强度的影响59-81
• 5.1 不同销座长度的影响59-63
• 5.1.1 温度场结果分析与对比59-60
• 5.1.2 耦合应力结果分析与对比60-62
• 5.1.3 综合变形结果分析与对比62-63
• 5.2 不同销座直径的影响63-67
• 5.2.1 温度场结果分析与对比63-64
• 5.2.2 耦合应力结果分析与对比64-66
• 5.2.3 综合变形结果分析与对比66-67
• 5.3 不同火力岸厚度的影响67-71
• 5.3.1 温度场结果分析与对比67-68
• 5.3.2 耦合应力结果分析与对比68-70
• 5.3.3 综合变形结果分析与对比70-71
• 5.4 不同回油孔相对位置的影响71-74
• 5.4.1 温度场结果分析与对比72-73
• 5.4.2 耦合应力结果分析与对比73-74
• 5.4.3 综合变形结果分析与对比74
• 5.5 各参数对活塞传热和强度的正交试验分析74-78
• 5.5.1 正交试验设计75
• 5.5.2 正交试验结果分析75-78
• 5.6 小结78-81
• 第六章 结论与展望81-84
• 6.1 结论81-82
• 6.2 展望82-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-89
• 附录A 攻读硕士学位期间参与项目及发表论文89-90
• 附录B 攻读硕士学位期间所获奖励90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 吴义民;徐传民;徐涛;;活塞内冷油腔及冷却喷嘴初步研究[J];内燃机与动力装置;2009年06期

2 雷基林,申立中,毕玉华,沈颖刚,颜文胜,张韦;有限元分析方法在内燃机活塞研究中的应用[J];拖拉机与农用运输车;2005年04期

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本文编号：383930