全钢活塞的热机耦合仿真分析及疲劳寿命预测

发布时间：2017-09-25 01:23

  本文关键词：全钢活塞的热机耦合仿真分析及疲劳寿命预测

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【摘要】：内燃机是当前世界上应用最为广泛的热动力装置，它使燃料在燃烧室中进行燃烧，释放热能，是将高温高压燃料气体本身的热能经连杆传递再通过曲柄转化成机械能进而产生动力的工业革命的产物。而活塞是整个内燃机工作环境最为严峻的一个零件，它受到高强度的机械负荷以及热负荷，活塞疲劳设计的好坏直接关系到内燃机的经济性、可靠性和使用寿命，所以对活塞进行热机耦合分析和疲劳寿命预测是很有必要的。 本文是基于UG三维作图软件、ANSA前处理软件、ANSYS有限元分析软件以及Ncode-designlife疲劳寿命后处理软件，对活塞多轴应力下的机械应力、热应力和热机耦合进行研究，分析其变形和应力应变分布，并结合热机耦合的瞬态动力学分析对活塞的多轴疲劳寿命进行预测，同时还研究了活塞的低周热疲劳寿命。主要做了以下工作： （1）利用UG三维作图软件建立活塞连杆组的1/4三维模型，将模型导入到ANSA前处理软件中，进行网格划分，，为了得到精确的分析结果，应对倒角、倒圆、小孔和第一环槽部位进行网格细化处理。 （2）根据经验和半经验公式确定活塞第三类热边界条件，在ANSYS软件中将该边界条件施加到活塞有限元模型上进行活塞稳态温度场计算，得到活塞的温度场、热流密度和温度梯度分布。 （3）在求得温度场的基础上对活塞的热负荷进行仿真分析，并研究最大爆压时刻活塞的机械载荷，最后结合动力学，进行活塞热机耦合的瞬态分析，得到活塞的变形和应力应变分布。 （4）运用临界平面法和活塞材料的E-N曲线，根据热机耦合瞬态动力学的分析结果，在Ncode-designlife疲劳软件中对活塞的多轴疲劳寿命进行预测；同时对活塞低周热疲劳进行寿命预测。 通过以上的研究分析，得到了活塞工作的危险部位和疲劳寿命预测结果，为该设计活塞进一步减重设计提供依据。
【关键词】：活塞 温度场 热机耦合 疲劳寿命
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 本文的研究背景及意义10-11
• 1.1.1 选题依据和背景情况10
• 1.1.2 课题研究目的10-11
• 1.1.3 理论意义和实际应用价值11
• 1.2 国内外研究现状和发展动态11-15
• 1.2.1 活塞的热机耦合研究现状11-12
• 1.2.2 活塞机械疲劳和热疲劳研究现状12-14
• 1.2.3 活塞的疲劳研究发展动态14-15
• 1.3 本文研究内容15-16
• 1.3.1 学术构想与思路15
• 1.3.2 主要研究内容15-16
• 1.4 本章小结16-17
• 第二章 理论基础及有限元模型17-29
• 2.1 有限元理论简介17-21
• 2.1.1 有限元概述17-18
• 2.1.2 弹性力学理论基础18-21
• 2.2 有限元热分析理论21-24
• 2.2.1 导热基本定律—Fourier 定律21-22
• 2.2.2 活塞的导热微分方程22-23
• 2.2.3 温度场的三类边界条件23-24
• 2.3 活塞的有限元模型24-28
• 2.3.1 活塞的三维几何模型25-26
• 2.3.2 活塞的三维有限元模型26-27
• 2.3.3 活塞材料参数27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 活塞温度场的仿真分析29-46
• 3.1 活塞的热负荷29-31
• 3.1.1 活塞的热负荷分析29-30
• 3.1.2 活塞的热状态30-31
• 3.2 活塞温度场的热边界条件31-41
• 3.2.1 活塞顶部和外部高温燃气的换热系数31-34
• 3.2.2 活塞和冷却水的换热系数34-38
• 3.2.3 活塞内冷油腔的换热系数38-39
• 3.2.4 活塞内腔与油雾的换热系数39-41
• 3.3 活塞温度场仿真分析41-45
• 3.3.1 活塞温度分布结果分析41-43
• 3.3.2 活塞热流密度和温度梯度结果分析43-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 活塞热机耦合的仿真分析46-70
• 4.1 活塞承受的机械载荷分析46-51
• 4.1.1 活塞所受载荷计算46-49
• 4.1.2 活塞加速度计算49-51
• 4.2 活塞机械负荷分析边界条件51-53
• 4.2.1 活塞位移边界条件52-53
• 4.2.2 活塞的接触边界条件53
• 4.3 活塞机械负荷有限元仿真分析53-57
• 4.4 活塞热负荷有限元仿真分析57-61
• 4.5 活塞热机耦合有限元仿真分析61-68
• 4.5.1 活塞热机耦合工况及边界条件分析61-63
• 4.5.2 活塞边界条件的加载63
• 4.5.3 活塞热机耦合的仿真结果分析63-68
• 4.6 本章小结68-70
• 第五章 活塞的疲劳寿命分析70-85
• 5.1 疲劳的理论基础70-76
• 5.1.1 疲劳累积损伤理论70-72
• 5.1.2 疲劳寿命评价准则72-74
• 5.1.3 多轴疲劳失效准则74-76
• 5.2 活塞疲劳寿命方法基础76-79
• 5.2.1 疲劳裂纹萌生寿命模型76-77
• 5.2.2 临界平面法77-79
• 5.3 活塞热机疲劳寿命仿真分析79-82
• 5.3.1 活塞载荷谱和材料特性79-81
• 5.3.2 活塞热机疲劳寿命仿真预测结果分析81-82
• 5.4 活塞低周热疲劳寿命分析82-84
• 5.4.1 活塞的热冲击82-83
• 5.4.2 活塞低周热疲劳寿命仿真预测结果分析83-84
• 5.5 本章小结84-85
• 第六章 总结与展望85-88
• 6.1 总结85-86
• 6.2 展望86-88
• 参考文献88-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果92-93
• 致谢93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 方华,袁兆成,李盛成,钱耀义;间隙元在活塞有限元分析中的应用[J];兵工学报(坦克装甲车与发动机分册);2000年03期

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本文编号：914562