柴油机活塞铝合金材料烧蚀规律研究

发布时间：2017-09-22 16:22

  本文关键词：柴油机活塞铝合金材料烧蚀规律研究

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【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,容易产生烧蚀失效等现象的发生,严重影响着柴油机正常可靠的工作。为了揭示铝合金材料烧蚀失效现象的物理本质,本文对活塞用铝合金材料试件进行了烧蚀试验,根据试验结果进行了铝合金材料烧蚀机理分析和烧蚀模型建立,针对铝合金试件进行了烧蚀模拟计算研究,与试验结果对比验证了烧蚀模型的正确性;活塞烧蚀涉及到的因素较多,为得到活塞的烧蚀规律,采用简化的烧蚀计算方法对活塞在工作中经常出现的异常工况所引起的烧蚀失效现象进行了模拟分析,同时,对氧化铝纤维增强铝硅基复合材料和硼酸铝晶须增强铝硅基复合材料进行烧蚀测试与分析,并就氧化铝纤维局部增强铝硅基复合材料活塞的抗烧蚀性能进行了模拟计算分析;最后,对铝合金材料烧蚀失效评估方法进行了研究。利用火焰加热器、试验仪器和设备,建立了能模拟活塞材料在高温高速气流冲刷条件下的烧蚀试验装置,利用铝合金试件进行烧蚀试验研究。分析得到试件表面温度对于试件的质量烧蚀率影响最显著,气流冲刷角度、燃气速度对质量烧蚀率的影响则依次减弱,但后两个因素的影响差距不大,得出试件的质量烧蚀率与各影响因素的关系曲线;并对试件烧蚀后的表面、截面形貌及材料成分进行了分析。根据铝合金试件的烧蚀试验及结果分析,对铝合金材料的烧蚀机理进行了研究,研究结果表明,铝合金材料在高速高温燃气的作用下,首先使具有较高硅含量的共晶结构成分最先达到熔点,熔化后体积膨胀,体积膨胀引起的体积增加部分将被挤出并以颗粒状附着在试件的表面,同时试件表层熔点较低的成分熔化后和挤出的颗粒物质一起在高速燃气流的气动剪力的作用下被很快吹除,形成了材料的熔化烧蚀。试件表层熔点较低的成分熔化后和挤出的颗粒物质被冲刷去除后,其它主要物质仍留在试件表面,当表面粗糙度达到临界值时,高温高速的燃气流产生的强大剪切力作用于突起的材料部分,最终导致突起的材料部分发生失效被高速燃气流吹走,造成材料的机械剥蚀。铝合金材料的烧蚀问题是一个复杂的多重耦合问题,基于铝合金材料的烧蚀过程和机理的分析,铝合金材料质量的损失应由三部分组成:熔化液体挤出部分损失、表面熔化材料损失和表面气流剥蚀损失,建立了铝合金材料烧蚀模型,包括了熔化烧蚀和气流剥蚀两方面的影响机制。对试验烧蚀系统进行了几何建模,利用FLUENT软件对烧蚀试验系统试验段内流场进行了数值模拟,获取烧蚀试验系统内流场在烧蚀试件壁面上的对流换热系数等参数;然后将这些参数作为边界条件,采用差分数值计算方法对试件烧蚀温度场进行求解,并运用所建的铝合金材料烧蚀模型,对铝合金试件进行了烧蚀计算,计算得到的结果与试验结果较吻合,表明所建的铝合金材料烧蚀模型及试件的烧蚀计算方法可以很好的对试件的烧蚀进行预示。针对某型高强化柴油机活塞在运行中经常出现的近壁燃烧所引起的烧蚀失效现象进行分析,选择合适的计算模型,利用软件AV L FIRE对该型柴油机进行燃烧模拟计算,进而确定该型柴油机在活塞烧蚀工况下活塞顶面的热边界条件;并采用简化的烧蚀计算模型及计算方法对活塞烧蚀失效现象进行模拟计算,得到了活塞传热烧蚀比较全面详细的结果;同时对冷却油腔结焦工况下引起的活塞烧蚀现象进行了模拟分析,以上分析结果对活塞结构的设计提供合理的理论依据。针对铝合金材料活塞抗烧蚀性能较差的状况,利用所建的烧蚀试验装置分别对氧化铝纤维增强铝硅基复合材料和硼酸铝晶须增强铝硅基复合材料进行了烧蚀测试与分析,对比分析了铝硅合金与两种复合材料的抗烧蚀性能,并就氧化铝纤维局部增强铝硅基活塞的抗烧蚀性能进行了模拟计算分析。结果表明,氧化铝纤维增强铝硅基复合材料和硼酸铝晶须增强铝硅基复合材料具有致密的网格结构和较大的高温强度,在高温高速气流的冲击下,仍能使材料整体保持很好的结构,材料的质量烧蚀量和质量烧蚀量较小,相对于铝硅合金材料都具有良好的抗烧蚀性能,同时由于硼酸铝晶须结构组织更为致密,硼酸铝晶须增强复合材料的抗烧蚀性能更为出色。通过进行铝合金材料试件烧蚀后硬度等参数的测试,得到了洛氏硬度与烧蚀温度的关系曲线,从而建立了铝合金类材料烧蚀失效的评估标准;同时制定了铝合金类材料抗烧蚀性能试验规范,根据此规范,可对铝合金类材料的抗烧蚀性能进行评估。
【关键词】：活塞 烧蚀机理 数学模型 近壁燃烧 失效评估
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK425
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-18
• 第1章 绪论18-29
• 1.1 选题的背景、目的和意义18-20
• 1.2 非金属材料烧蚀的研究历史及现状20-23
• 1.2.1 烧蚀模型与数值模拟研究20-22
• 1.2.2 烧蚀试验研究22-23
• 1.3 金属材料烧蚀的研究历史及现状23-25
• 1.3.1 烧蚀模型与数值模拟研究23-25
• 1.3.2 烧蚀试验研究25
• 1.4 活塞烧蚀失效研究进展25-26
• 1.5 研究内容和研究意义26-29
• 第2章 活塞用铝合金材料烧蚀试验研究29-51
• 2.1 材料与试验方法29-37
• 2.1.1 材料与试件制备29-30
• 2.1.2 材料的拉伸性能测试30-32
• 2.1.3 材料的其它物性参数测试32
• 2.1.4 差示扫描量热分析32-33
• 2.1.5 烧蚀试验系统及方法33-37
• 2.2 烧蚀试验结果分析37-49
• 2.2.1 试件烧蚀表面、截面形貌与成分分析39-46
• 2.2.2 各参数对试件烧蚀率的影响分析46-48
• 2.2.3 影响因素的显著性分析48-49
• 2.3 本章小结49-51
• 第3章 活塞用铝合金材料传热烧蚀机理及烧蚀模型研究51-58
• 3.1 铝合金材料烧蚀机理51-52
• 3.2 铝合金材料烧蚀模型52-56
• 3.2.1 铝合金材料液相率与温度关系分析52
• 3.2.2 铝合金材料试件烧蚀过程分析52-53
• 3.2.3 铝合金材料烧蚀模型基本假设53
• 3.2.4 铝合金材料烧蚀模型53-56
• 3.3 本章小结56-58
• 第4章 铝合金试件烧蚀数值模拟及验证58-68
• 4.1 烧蚀试验系统试验段流场数值模拟58-63
• 4.1.1 流场物理模型及计算网格58-60
• 4.1.2 计算的初始及边界条件60-61
• 4.1.3 流场数值模拟结果61-63
• 4.2 试件烧蚀的数值计算63-67
• 4.2.1 铝合金材料烧蚀计算流程64-65
• 4.2.2 烧蚀数值模拟结果65-66
• 4.2.3 试验结果与数值计算结果对比66-67
• 4.3 本章小结67-68
• 第5章 活塞烧蚀失效规律研究68-89
• 5.1 柴油机性能计算及活塞换热边界条件的确定68-82
• 5.1.1 三维模型建立及计算网格生成68-70
• 5.1.2 计算模型70-76
• 5.1.3 计算的初始条件76
• 5.1.4 性能仿真模型的建立和验证76-77
• 5.1.5 柴油机近壁燃烧工况性能仿真分析研究和活塞顶面换热边界条件77-81
• 5.1.6 活塞冷却侧换热边界条件81-82
• 5.2 活塞烧蚀有限元分析82-86
• 5.2.1 有限元模型建立82
• 5.2.2 活塞烧蚀有限元计算82-86
• 5.2.3 计算结果与试验结果对比86
• 5.3 冷却油腔结焦工况活塞烧蚀分析86-88
• 5.4 本章小结88-89
• 第6章 复合材料活塞烧蚀性能研究89-107
• 6.1 氧化铝纤维增强铝硅基复合材料烧蚀试验分析89-95
• 6.1.1 抗拉强度90-91
• 6.1.2 试件表面分析91-94
• 6.1.3 试件截面分析94-95
• 6.2 硼酸铝晶须增强铝硅基复合材料烧蚀试验分析95-101
• 6.2.1 硼酸铝晶须增强铝硅基复合材料的制备方法95-96
• 6.2.2 抗拉强度96
• 6.2.3 试件表面分析96-99
• 6.2.4 试件截面形貌分析99-101
• 6.3 烧蚀量分析101-103
• 6.4 氧化铝纤维增强铝硅基复合材料活塞烧蚀模拟计算103-106
• 6.4.1 氧化铝纤维增强铝硅基复合材料活塞的制备103-104
• 6.4.2 氧化铝纤维增强铝硅基复合材料活塞有限元分析104-106
• 6.5 本章小结106-107
• 第7章 铝合金类材料烧蚀失效评估方法研究107-114
• 7.1 铝合金类材料烧蚀失效评估标准107-111
• 7.1.1 试验方案107-108
• 7.1.2 试验设备108-109
• 7.1.3 试验结果与分析109-111
• 7.2 铝合金类材料抗烧蚀性能试验规范研究111-113
• 7.2.1 试件111
• 7.2.2 试验设备111
• 7.2.3 试验方法111-112
• 7.2.4 结果处理112-113
• 7.3 本章小结113-114
• 结论114-118
• 1. 全文总结114-116
• 2. 创新之处116-117
• 3. 工作展望117-118
• 参考文献118-127
• 攻读博士学位期间发表论文与研究成果127-129
• 致谢129-130
• 作者简介130

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：901830