鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料增強(qiáng)活塞銷座的性能研究.pdf

1、近幾年，隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不斷的向大功率、高負(fù)荷方向發(fā)展，使發(fā)動(dòng)機(jī)的最大爆發(fā)壓力不斷提高。作為承受載荷的主要部位——活塞銷孔上側(cè)面，容易出現(xiàn)疲勞開裂等故障現(xiàn)象，因此對活塞銷座可靠性研究顯得非常重要。在活塞銷座處鑲銅襯套的措施雖然解決了上述問題，但銅襯套與活塞本體是分離的兩部分，在熱負(fù)荷及機(jī)械載荷的作用下容易造成銅襯套脫落的風(fēng)險(xiǎn)，且銅襯套成本較高，占活塞整體成本的四分之一左右。
　　本文主要研究了鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料對于活塞銷座的影響。

2、在材料研究中心測量了活塞材料的性能，并通過對活塞溫度場測試得到了活塞的熱邊界條件。然后運(yùn)用正交試驗(yàn)表 L9(34)對銷孔型線、活塞銷與銷孔的間隙以及增強(qiáng)體（鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料）的厚度這三個(gè)因素設(shè)計(jì)了9組試驗(yàn)，外加一組常規(guī)鑲銅襯套的試驗(yàn)（10號(hào)）作為對比方案。然后利用 workbench對活塞進(jìn)行了模擬分析得到正交試驗(yàn)的最優(yōu)組合，然后對最優(yōu)組合以及對比方案進(jìn)行了疲勞分析，驗(yàn)證了含有增強(qiáng)體活塞的可靠性。
　　主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：

3、
　?。?）在材料研究中心測試了活塞材料性能、溫度場。其中包括材料的抗拉強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)等性能參數(shù)；并在額定工況下采用硬度塞法對活塞進(jìn)行了溫度場測試，得出了活塞不同部位的平均溫度值。
　?。?）在 Ansys-workbench中施加了熱邊界條件并計(jì)算得到溫度場。將實(shí)測得到的平均值與溫度模擬值進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，偏差均在5%以內(nèi)，這說明施加的熱邊界條件與真實(shí)邊界條件具有較好的一致性，為后續(xù)的分析提供了良好的基礎(chǔ)。
　?。?）

4、對由正交表設(shè)計(jì)的含有鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料9組試驗(yàn)及對比試驗(yàn)進(jìn)行了熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷以及耦合分析。這9組試驗(yàn)的最大耦合變形相比10號(hào)試驗(yàn)有不同層度上的降低，其中6號(hào)方案變形量最小為317.98μm，比10號(hào)降低了3.6%這會(huì)對潤滑油膜起到一定的保護(hù)作用。
　?。?）通過極差法得出了銷孔型線為2號(hào)、間隙為0.015mm、增強(qiáng)體厚度為12mm的活塞銷孔為最優(yōu)組合方案（即 A2B3C3）。然后對最優(yōu)組合進(jìn)行了建模分析，發(fā)現(xiàn)其活塞銷座耦合等效

5、應(yīng)力相比鑲銅襯套方案降低了28.8%，且遠(yuǎn)低于鋁基陶瓷纖維復(fù)合材料的應(yīng)力極限，滿足了活塞的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求；并對燃燒室喉口處進(jìn)行耦合等效應(yīng)力以及第一主應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明，燃燒室喉口部位的應(yīng)力遠(yuǎn)小于活塞基體材料的應(yīng)力極限89MPa，故燃燒室喉口部位不會(huì)發(fā)生疲勞開裂。
　?。?）利用 Fatigue Tool模塊對最優(yōu)組合方案（即 A2B3C3）與10號(hào)鑲銅襯套對比方案進(jìn)行了疲勞壽命、損傷以及安全系數(shù)的分析計(jì)算。發(fā)現(xiàn)使用增強(qiáng)體的措