复合隔热活塞气隙隔热机理研究及整体结构设计

发布时间：2017-09-02 17:06

  本文关键词：复合隔热活塞气隙隔热机理研究及整体结构设计

  更多相关文章： 隔热活塞 空气隙 陶瓷隔热 组合活塞 结构设计

【摘要】：随着柴油机强化水平的不断提高,活塞等零部件所受到的热负荷等问题日益突出,容易出现活塞头部、环槽等位置的失效问题,严重影响着柴油机活塞的工作可靠性。本文以某150柴油机活塞为基本模型,考虑隔热陶瓷片、空气隙、铸铁镶圈等隔热手段,设计出新型复合隔热形式的活塞。对复合隔热活塞进行几何建模并通过有限元法进行仿真计算,分析活塞关键区域的热强度并进行结构的优化设计,提出改进措施。此外,还对其他活塞头部隔热方法进行了研究。为进行活塞温度、应力、热变形状态分析,本文首先进行了柴油机性能仿真计算,得到活塞顶燃气平均温度、平均换热系数等数据,据此计算活塞的换热边界条件;根据活塞动力学分析得到螺栓所需预紧力、往复惯性力,得到活塞受力边界条件。为得到隔热活塞空气腔的换热边界条件,结合理论研究和CFD数值模拟的方法,对隔热活塞内空气隙的换热机制、换热系数、流动与换热特性进行研究分析,发现空气腔壁面换热系数可达20~30 W/(m2?K),为活塞空气腔部位提供热边界条件。通过有限元计算得到活塞温度场及应力场,可以发现:复合隔热结构活塞头部温度高、梯度大,而隔热陶瓷片以下部位温度相对较低,得到了很好的热保护;由于各组件材料不同,在受热条件下会出现变形不协调,使活塞中的高应力区出现在组件间的接触面上。改变活塞关键部位结构参数对活塞进行优化,分析发现:第一环槽的轴向位置对活塞整体影响很小;增大陶瓷片内径,使其与钢顶轴向接触面存在一定间隙,可减小陶瓷片整体的应力水平;对陶瓷片隔热层进行局部异型,提出有效降低其应力的措施。对功能梯度材料隔热片及钛顶形式的隔热活塞特性进行研究,分析发现:功能梯度材料隔热效果不及陶瓷,但对于缓解接触面变形不协调有显著作用;钛顶铝裙活塞可在满足隔热要求的前提下简化活塞结构,但钛合金与铝合金物性参数差异较大,使得接触面上的变形不协调。两种方式都具备一定的可行性,但需根据应力场特点进行细节优化。
【关键词】：隔热活塞 空气隙 陶瓷隔热 组合活塞 结构设计
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 论文背景10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-17
• 1.2.1 柴油机活塞结构的发展10-11
• 1.2.2 活塞材料的选择11-15
• 1.2.3 活塞隔热技术的发展15-17
• 1.3 本文研究意义17-18
• 1.4 本文研究内容18-19
• 第2章 活塞有限元分析边界条件研究及模型的建立19-32
• 2.1 活塞有限元分析边界条件的研究确定19-28
• 2.1.1 内燃机性能仿真计算19-20
• 2.1.2 活塞的换热热边界条件确定20-24
• 2.1.3 活塞的受力边界条件确定24-28
• 2.2 活塞有限元分析模型的建立28-31
• 2.2.1 几何模型的建立及网格划分28-29
• 2.2.2 隔热活塞材料的选择29-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第3章 气隙隔热机理研究32-46
• 3.1 活塞的气隙隔热研究现状32-37
• 3.1.1 空气隙活塞研究现状32-34
• 3.1.2 空气隔热机理研究34-37
• 3.2 气隙换热计算模型及求解条件37-38
• 3.2.1 空气间隙的几何模型37
• 3.2.2 初始条件与边界条件37-38
• 3.3 气隙换热各因素影响研究38-44
• 3.3.1 空气间隙的稳态换热特性38-40
• 3.3.2 空气间隙的瞬态换热特性40-42
• 3.3.3 空气间隙结构参数对换热的影响42-44
• 3.3.4 发动机转速对换热的影响44
• 3.4 本章小结44-46
• 第4章 150活塞热流分配与结构优化研究46-61
• 4.1 复合隔热活塞仿真计算分析46-53
• 4.1.1 复合隔热活塞温度场计算分析46-49
• 4.1.2 复合隔热活塞耦合应力场计算分析49-52
• 4.1.3 复合隔热活塞头部热变形计算分析52-53
• 4.2 活塞局部结构对温度、应力场的影响53-59
• 4.2.1 活塞第一环槽位置的影响53-55
• 4.2.2 陶瓷片内径增大对活塞的影响55-57
• 4.2.3 陶瓷片局部异型57-59
• 4.3 本章小结59-61
• 第5章 活塞头部隔热技术研究61-80
• 5.1 功能梯度材料的影响研究61-73
• 5.1.1 功能梯度材料的应用研究61-62
• 5.1.2 功能梯度材料的特性研究62-63
• 5.1.3 功能梯度材料对活塞的影响研究63-73
• 5.2 钛合金头部的影响研究73-79
• 5.2.1 钛合金在发动机中的应用概况73-74
• 5.2.2 钛合金材料性能74-75
• 5.2.3 钛合金活塞顶对活塞的影响研究75-79
• 5.3 本章小结79-80
• 第6章 总结与展望80-82
• 6.1 全文总结80-81
• 6.2 创新点81
• 6.3 工作展望81-82
• 参考文献82-86
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单86-87
• 致谢87

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本文编号：779776