柴油机活塞热机耦合有限元计算研究

发布时间：2017-05-24 10:06

  本文关键词：柴油机活塞热机耦合有限元计算研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国农用单缸柴油机受使用对象及用途的限制,其整体的性能提升,应优先选择不过多增加柴油机成本就能达到优化的技术措施。本课题提出了一种新的整体式燃烧室,这种新型燃烧室融合了直喷式燃烧室与分隔式燃烧室的优点。然而新型燃烧室面容比大,存在着比较大的散热损失,同时其活塞顶部形状突变部位增加,受到高温混合燃气压力、摩擦力、往复惯性力以及侧推力等载荷周期性的作用,随之可能导致活塞产生开裂、活塞环胶结、拉缸等,极大地危害活塞部件运转可靠性和使用耐久性。 改变传统经验公式的第三类边界条件取值,采用CFD数值计算获得新型燃烧室不同曲轴转角下活塞关键位置的温度及传热系数分布,改变以往函数加载的方式,采用活塞销辅助约束的施加方案,进行了新旧研究方法的比较,验证了新方法的可行性。研究结果表明,标定工况下,新型燃烧室整体上的综合应力和变形均在活塞材料允许的范围之内,但是新型燃烧室喉口下沿的缩口区域温度分布很不均匀,易导致应力集中；其第一环槽的平均温度已经超过润滑油结胶温度,在此工作条件下长时间运转可能导致出现活塞环胶结,破坏正常的配合间隙,环岸断裂等现象。新型燃烧室增加泄油孔通道后,由于得到有效的冷却,对活塞最高温度、第一环槽温度以及内腔顶部中央高温有一定的降低缓解效用。在热机耦合作用下,在活塞顶面的变形,热变形占据了主导地位,而活塞销座的销孔上沿处因受到活塞热变形的影响作用,与仅承受机械载荷时的相比较,大大缓解其应力集中的现象。另外,本文探讨了新型燃烧室及有无泄油孔通道的活塞在低频热疲劳下的影响,从而为该类型的活塞设计与改进提供一定的理论依据和参考,同时减少盲目性和实验成本,提高设计效率。
【关键词】：柴油机 活塞 CFD FEA 热机耦合 第三类边界条件
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK421
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 符号说明12-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 引言14-16
• 1.2 活塞热负荷及其热机耦合研究概况16-20
• 1.2.1 国外活塞热负荷研究概况16-18
• 1.2.2 国内活塞热负荷研究概况18-19
• 1.2.3 活塞热机耦合研究概况19-20
• 1.3 本文主要研究内容、意义和方法20-23
• 第二章 活塞热分析基础理论23-30
• 2.1 活塞的热传导方程23-24
• 2.2 热弹性理论24-30
• 2.2.1 热弹性理论的基本方程24-26
• 2.2.2 热应力的求解26-30
• 第三章 活塞热边界条件研究30-45
• 3.1 活塞温度场计算流程30-31
• 3.2 活塞顶部与高温燃气间换热边界研究31-33
• 3.3 活塞顶面附近温度场及流场研究33-40
• 3.3.1 柴油机燃烧过程计算基本方程33-34
• 3.3.2 计算模型选择34-35
• 3.3.3 初始边界条件的确定35-37
• 3.3.4 模型验证37-38
• 3.3.5 活塞顶面表面关键位置的温度及流场分布38-40
• 3.4 缸套温度场研究40-44
• 3.4.1 原机燃烧室缸套温度场模拟计算40-43
• 3.4.2 新型燃烧室缸套温度场模拟计算43-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 活塞温度场研究45-60
• 4.1 活塞热负荷边界条件研究45-49
• 4.1.1 活塞顶部换热边界条件45-46
• 4.1.2 活塞内腔换热边界条件46
• 4.1.3 活塞侧面换热边界条件46-47
• 4.1.4 活塞各表面综合热边界条件47-49
• 4.2 材料参数49-50
• 4.3 活塞三维有限元模型50-51
• 4.4 温度场结果分析51-58
• 4.4.1 原机燃烧室活塞与新型燃烧室活塞的温度场结果分析51-53
• 4.4.2 新型燃烧室喷油嘴的位置对活塞温度场分布的影响53-55
• 4.4.3 新型燃烧室泄油通道对活塞温度场分布的影响55-57
• 4.4.4 两种研究方法的温度场计算结果对比57-58
• 4.5 本章小结58-60
• 第五章 活塞应力和变形综合分析60-79
• 5.1 热载荷条件下热应力和变形结果分析60-64
• 5.1.1 接触副传热接触分析60-61
• 5.1.2 燃烧室形状对活塞热应力与变形影响结果分析61-63
• 5.1.3 泄油通道对活塞热应力与变形影响结果分析63-64
• 5.2 机械载荷条件下应力和应变结果分析研究64-70
• 5.2.1 活塞机械边界条件的处理64-67
• 5.2.2 燃烧室形状对活塞机械应力与变形影响结果分析67-69
• 5.2.3 泄油通道对活塞机械应力与变形影响结果分析69-70
• 5.3 热机耦合条件下应力和应变结果分析70-74
• 5.3.1 燃烧室形状对活塞耦合热应力与变形影响结果分析70-73
• 5.3.2 泄油通道对活塞耦合热应力与变形影响结果分析73-74
• 5.4 活塞低频热疲劳分析74-77
• 5.4.1 燃烧室形状对活塞低频热疲劳影响结果分析75-76
• 5.4.2 泄油孔通道对活塞低频热疲劳影响结果分析76-77
• 5.5 本章小结77-79
• 第六章 全文总结与工作展望79-83
• 6.1 全文总结79-82
• 6.2 工作展望82-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 攻读学位期间发表论文情况88

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