基于ANSYS的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞熱分析及熱障涂層仿真研究.pdf

1、分類號(hào)密級(jí)UDC學(xué)校代碼10497學(xué)位論文題目基于ANSYS的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞熱分析及熱障涂層仿真研究英文Thermalanalysisofthenaturalgasenginepiston題目simulationstudyofthethermalbarriercoatingbasedonANSYS研究生姓名程君林姓名錢(qián)作勤職稱教授學(xué)位博士單位名稱能源與動(dòng)力工程學(xué)院郵編430063申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別碩士學(xué)科專業(yè)名稱輪機(jī)工程論文提交日期2015

2、.04論文答辯日期2015.05學(xué)位授予單位武漢理工大學(xué)學(xué)位授予日期答辯委員會(huì)主席評(píng)閱人2015年05月指導(dǎo)教師I摘要隨著城市霧霾等環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，石油等非再生能源的不斷消耗，節(jié)能與環(huán)保成為了社會(huì)發(fā)展的主題。在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，緩解能源緊缺和控制污染物排放亟待解決，開(kāi)發(fā)清潔優(yōu)質(zhì)能源和尋找代用燃料已是大勢(shì)所趨。近年來(lái)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車、船舶、電力等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒物排放方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際運(yùn)用中也存在著一些

3、問(wèn)題，主要是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的早期磨損、腐蝕和熱負(fù)荷較高等問(wèn)題。活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，出現(xiàn)故障會(huì)直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)行。活塞的熱分析對(duì)了解活塞的溫度場(chǎng)分布、評(píng)估活塞的熱負(fù)荷具有重要的意義。本文以某型號(hào)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞為研究對(duì)象，通過(guò)三維建模軟件CATIA建立活塞的實(shí)體模型，并利用有限元前處理軟件HyperMesh創(chuàng)建活塞的有限元模型，通過(guò)ANSYS仿真軟件對(duì)活塞進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到活塞的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。在臺(tái)架試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)硬度塞法試

4、驗(yàn)測(cè)量天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞硬度塞測(cè)點(diǎn)的溫度值，得到活塞測(cè)點(diǎn)溫度值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。再將活塞溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)得到的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，不斷修正以得到準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果。在活塞熱分析的基礎(chǔ)上，對(duì)活塞頂部進(jìn)行熱障涂層處理，建立雙層熱障涂層活塞的有限元模型，通過(guò)ANSYS軟件仿真分析有無(wú)熱障涂層天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的溫度及熱應(yīng)力分布的差別。通過(guò)APDL語(yǔ)言建立功能梯度熱障涂層活塞參數(shù)化模型，仿真計(jì)算得到功能梯度熱障涂層活塞的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分布。分

5、析比較無(wú)熱障涂層活塞、雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層活塞和功能梯度熱障涂層活塞的熱分析結(jié)果，研究不同結(jié)構(gòu)涂層對(duì)活塞的溫度應(yīng)力分布的影響。通過(guò)活塞的熱分析研究，可以了解天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力的分布，可知在額定工況下活塞的最高溫度達(dá)到348℃，位于燃燒室喉口環(huán)區(qū)；最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在活塞鑲?cè)μ帲@是由于活塞基體與鑲?cè)Φ牟牧喜町愋詫?dǎo)致受熱膨脹不匹配而引起的。通過(guò)對(duì)熱障涂層活塞的仿真研究，可知熱障涂層能夠有效的降低活塞基體的溫度及熱應(yīng)力，并且在陶瓷涂