钛合金活塞耐磨性设计及铸造缺陷影响研究

发布时间：2017-09-15 19:25

  本文关键词：钛合金活塞耐磨性设计及铸造缺陷影响研究

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【摘要】：随着内燃机强化水平不断提高,活塞被要求具有更强的高温承载能力,开发新材料活塞以适应高强化工况是一种新的发展趋势。钛合金作为一种新型的材料,相比活塞传统材料具有比强度高、高温性能优良、导热系数小等优点,在活塞上有广泛的应用前景。但钛合金材料耐磨性差,且在铸造过程中常出现缩孔、缩松、夹杂等缺陷,导致其应用范围受到制约。本文围绕限制钛合金材料在活塞上应用的关键技术性问题,采用试验研究和仿真分析相结合的方法,确定了钛合金活塞的减摩耐磨方案,评估了铸造缺陷对活塞结构强度的影响。论文研究内容包括以下三个方面:结合钛合金的材料特性及加工工艺,设计出了一种新型钛合金活塞。应用性能仿真软件计算确定了柴油机活塞有限元分析中所需的边界条件,利用Abaqus软件对活塞温度场、应力场和变形情况进行了仿真分析,结果显示钛合金活塞头部隔热效果明显,头部与裙部温差大,活塞各位置强度满足要求,整体变形较小。针对钛合金材料耐磨性差这一关键问题,对活塞进行了减磨耐磨设计。计算校核了环槽处的磨损寿命,结果显示ECC镀膜满足耐磨性要求。选取SPCC作为钛合金活塞衬套材料,并经过仿真分析研究将活塞与衬套间的过盈量定为0.10mm。活塞裙部采用在ECC镀膜的基础上加镀二硫化钼方案以提高耐磨性。结合活塞的变形情况,确定了钛合金活塞的配缸间隙和侧向型线。基于钛合金材料真实微观结构建立了RVE有限元模型,采用细观力学有限元法分析了铸造缺陷对钛合金活塞的影响,仿真结果与试验数据吻合较好。细观应力、应变场分析结果显示:缺陷周围的基体材料应力较大,易发生局部失效。为校核活塞关键位置载荷情况,对含缺陷材料活塞进行应力场计算分析,发现活塞喉口处的缺陷对活塞应力分布影响较小,而活塞销座内侧斜上方及内腔颈部两处位置的缺陷会使附近的应力增大。
【关键词】：活塞 钛合金 耐磨 缺陷 细观力学
【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】：TK403
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 研究目的及意义9-11
• 1.2 国内外研究概况11-14
• 1.2.1 钛合金在发动机中的应用概况11-12
• 1.2.2 钛合金材料铸造缺陷研究概况12-13
• 1.2.3 细观力学有限元法的发展与概况13-14
• 1.3 本文研究的主要内容14-15
• 第2章 钛合金活塞整体结构设计及仿真15-31
• 2.1 钛合金材料不同温度单拉力学试验15-17
• 2.2 钛合金活塞结构的确定17-19
• 2.2.1 活塞主要设计参数18-19
• 2.2.2 活塞模型的创建19
• 2.3 钛合金活塞边界条件确定19-25
• 2.3.1 活塞换热边界条件的确定21-24
• 2.3.2 活塞受力边界条件的确定24-25
• 2.4 钛合金活塞有限元仿真25-28
• 2.4.1 活塞有限元模型建立26-27
• 2.4.2 活塞仿真计算与分析27-28
• 2.5 本章小结28-31
• 第3章 钛合金活塞耐磨方案设计31-45
• 3.1 钛合金活塞耐磨涂层选取31-33
• 3.2 活塞环区减摩耐磨设计33-35
• 3.2.1 活塞环槽间隙调整33-34
• 3.2.2 活塞环槽磨损寿命评估34-35
• 3.3 活塞销孔减摩耐磨设计35-40
• 3.3.1 活塞销孔衬套材料选取36
• 3.3.2 活塞销孔衬套过盈量确定36-40
• 3.4 活塞裙部减摩耐磨设计40-44
• 3.4.1 活塞裙部耐磨涂层设计40-41
• 3.4.2 活塞配缸间隙设计41
• 3.4.3 活塞型线设计41-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第4章 含铸造缺陷的钛合金活塞计算分析45-61
• 4.1 基于真实结构的细观仿真模型构造45-50
• 4.1.1 组织观察及图像处理45-47
• 4.1.2 细观有限元模型建立47-50
• 4.2 RVE仿真计算结果分析50-56
• 4.2.1 不同温度下材料单拉曲线计算结果50-54
• 4.2.2 不同温度下RVE应力应变场分析54-56
• 4.3 钛合金活塞中铸造缺陷的影响分析56-59
• 4.3.1 钛合金活塞铸造缺陷观察57
• 4.3.2 含铸造缺陷的钛合金活塞应力分析57-59
• 4.4 本章小结59-61
• 第5章 总结与展望61-63
• 5.1 全文总结61-62
• 5.2 工作展望62-63
• 参考文献63-67
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单67-68
• 致谢68

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本文编号：858430