柴油機(jī)活塞熱沖擊問(wèn)題的試驗(yàn)研究.pdf

1、活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要受熱零件之一，在實(shí)際應(yīng)用中，承受著劇烈的高周及低周熱沖擊作用，這是活塞熱損傷的主要原因所在。本文在理論研究方面并沒(méi)有建立更為復(fù)雜的模型，而是通過(guò)集總參數(shù)、一維平壁、二維軸對(duì)稱(chēng)三種不同模型對(duì)150活塞進(jìn)行了仿真對(duì)比研究。研究工作的側(cè)重點(diǎn)在試驗(yàn)上，主要進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)多通道儲(chǔ)測(cè)系統(tǒng)的研制，并利用該系統(tǒng)對(duì)150活塞實(shí)際工況下溫度及應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量；同時(shí)在國(guó)內(nèi)首次建立了基于激光加熱的熱沖擊模擬試驗(yàn)臺(tái)架，并創(chuàng)新性地將激光光束變換技術(shù)

2、應(yīng)用于活塞熱沖擊模擬試驗(yàn)。上述試驗(yàn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)為深入探索內(nèi)燃機(jī)活塞等受熱零部件熱狀態(tài)變化規(guī)律提供了先進(jìn)的手段，進(jìn)而為工程實(shí)際中熱損傷現(xiàn)象的預(yù)防奠定了工作基礎(chǔ)。 本文的主要工作及結(jié)論如下： 1)文中在給出活塞的集總參數(shù)模型、一維平壁模型、二維有限元模型的基礎(chǔ)上，著重分析了考慮動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng)的一維平壁模型。分析結(jié)果表明：一維平壁模型中慣性項(xiàng)與準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算結(jié)果差別甚微，可以忽略不計(jì)。同時(shí)通過(guò)計(jì)算可知，考慮耦合項(xiàng)的導(dǎo)熱模型與傅立葉導(dǎo)熱

3、方程相比，僅是引進(jìn)了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)，兩方程計(jì)算結(jié)果相差僅1.38％。通過(guò)對(duì)慣性項(xiàng)及耦合項(xiàng)的上述處理并以矩形波載荷為激勵(lì)，得到了一維平壁模型的解析解。并從材料物性參數(shù)，載荷強(qiáng)度，載荷周期以及初始溫度等方面研究了各參數(shù)對(duì)一維平壁模型仿真計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)果顯示：在上述因素中，載荷強(qiáng)度對(duì)仿真結(jié)果的影響最為顯著。 2)以150活塞為例，分別應(yīng)用集總參數(shù)模型、一維平壁模型、二維軸對(duì)稱(chēng)有限元模型進(jìn)行仿真對(duì)比研究。計(jì)算結(jié)果表明：三種模型都能夠?qū)?/p>

4、塞的高周熱沖擊過(guò)程進(jìn)行模擬，活塞溫度波動(dòng)趨勢(shì)相同，波動(dòng)幅值存在差別。對(duì)于高周熱沖擊過(guò)程中的應(yīng)力仿真，集總參數(shù)模型由于建立在忽略內(nèi)部溫度變化的基礎(chǔ)上，因而不適用；一維平壁模型、二維軸對(duì)稱(chēng)模型的仿真結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差，這是因?yàn)槟Ｐ偷挠?jì)算精度與邊界條件以及初始條件的選取有直接關(guān)系。因此，在活塞熱沖擊的研究上，理論模型的復(fù)雜程度并不是主要因素，邊界條件和初始條件的選擇是否合適才是模型是否實(shí)用的先決條件，而邊界條件與初始條件的選擇在很大程

5、度上上依賴于試驗(yàn)。 3)研制了多通道活塞儲(chǔ)測(cè)儀，該儀器可以安裝于活塞底部，對(duì)活塞在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的溫度、應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行在線測(cè)量及存儲(chǔ)，停機(jī)后再對(duì)儲(chǔ)測(cè)儀內(nèi)存儲(chǔ)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在150活塞上的實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)的研制成功為熱沖擊問(wèn)題的研究提供了有力的工具。 4)在國(guó)內(nèi)首次建立了以激光為加熱熱源的熱沖擊模擬試驗(yàn)臺(tái)架。該試驗(yàn)臺(tái)架與其他加熱方式的模擬試驗(yàn)臺(tái)架相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)加熱周期短，通過(guò)控制激光器輸出功率波形(矩形波

6、、三角波)，并通過(guò)轉(zhuǎn)光片將激 光光束分成若干個(gè)同心光環(huán)垂直投射到活塞頂面，其區(qū)域范圍和溫度分布盡量符合實(shí)際工況要求，從而使模擬試驗(yàn)更加接近實(shí)際工況；(2)可以實(shí)現(xiàn)活塞溫度的非接觸測(cè)量，一方面避免了活塞上安裝熱電偶造成的對(duì)活塞溫度場(chǎng)分布的破壞，另一方面降低了試驗(yàn)準(zhǔn)備工作量；(3)CCD技術(shù)的應(yīng)用使得活塞熱損傷的檢測(cè)工作更加方便。 5)創(chuàng)新性地將激光光束空間變換技術(shù)引入活塞模擬試驗(yàn)中。該方法首先通過(guò)實(shí)機(jī)試驗(yàn)及三維有限元分析獲取活塞