熱沖擊問題的理論研究及其在內(nèi)燃機中的應用.pdf

1、發(fā)動機工作過程中活塞熱負荷的重要特征之一是沖擊性，這種熱沖擊載荷也是造成活塞熱損傷的主要原因。為深入了解熱沖擊對活塞熱狀態(tài)的影響作用，為探明活塞熱損傷的機理奠定基礎(chǔ)，本文應用傳熱學和熱彈性理論，開展了熱沖擊下受熱構(gòu)件熱狀態(tài)變化規(guī)律的理論研究，針對不同構(gòu)件材料、初始溫度以及沖擊載荷性質(zhì)，分析討論了弛時間、動力學及溫度-應變耦合效應對構(gòu)件熱狀態(tài)的影響。在此研究基礎(chǔ)上，通過合理的模型簡化，對發(fā)動機啟動和其它突變負荷工況下活塞的熱沖擊狀態(tài)進行了

2、數(shù)值仿真，從理論上探討了啟動溫度、失火現(xiàn)象以及突卸負荷等因素對活塞熱狀態(tài)的影響。另外還結(jié)合熱沖擊模擬試驗技術(shù)中現(xiàn)存的問題，開展了利用計算機圖像處理方法進行燃燒火焰溫度和表面熱疲勞裂紋在線檢測技術(shù)的開發(fā)工作。 為了研究松弛時間對構(gòu)件熱沖擊過程的影響，選擇半無限體為物理對象，采用Laplace變換及羅朗展開方法求解了典型的通用熱彈性理論模型─Green and Lindsay（GL）模型，獲得了階躍熱沖擊載荷下構(gòu)件熱狀態(tài)（模擬實際過

3、程中構(gòu)件被快速加熱情況）的解析解。分析研究表明：（1）、考慮松弛時間后構(gòu)件受熱沖擊的影響區(qū)域變大，其內(nèi)部溫度再次達到平衡所需時間增加；（2）、熱沖擊載荷強度和材料的導熱能力直接影響松弛時間效應，載荷強度越大，導熱能力越強，松弛時間效應越強；（3）、熱激勵的持續(xù)時間越短，松弛時間效應越明顯。 其次在假設(shè)可以忽略松弛時間效應的前提下，重點研究了熱沖擊下彈性體的動力學耦合效應對其熱狀態(tài)的影響。選擇大平板為物理對象，采用順序模型、準靜態(tài)

4、耦合模型以及經(jīng)典動力學耦合模型分別進行了求解，對比分析了彈性體純動力學效應、純耦合效應以及動力學耦合效應對熱沖擊過程的影響，進行了不同形式?jīng)_擊載荷下平板熱狀態(tài)的模擬。仿真結(jié)果表明：（1）、隨著熱沖擊持續(xù)時間的增加，平板熱狀態(tài)逐漸趨于平衡，其中耦合效應對平板溫度、熱應力的影響逐漸減弱，動力學效應對平板溫度的影響減弱，而對平板熱應力的影響在全過程中都比較顯著；（2）、慣性項會抑制熱應力的增加，其對熱應力的影響范圍可以遍及整塊平板。因此進行熱

5、沖擊研究時，不能忽 略慣性項的影響；（3）、邊界約束條件以及沖擊初始階段直接影響平板內(nèi)溫度－熱應力的大小。 在上述理論研究的基礎(chǔ)上，不考慮松弛時間以及耦合效應的影響，借助有限元軟件ANSYS開展了低周熱沖擊下活塞熱狀態(tài)的動態(tài)仿真研究。重點研究不同載荷模式和不同初始溫度對活塞熱狀態(tài)的影響，討論適用于低周熱沖擊模擬的邊界條件的載荷模式，研究材料的物性參數(shù)的溫度非線性對活塞溫度、熱應力分布的影響。在此基礎(chǔ)上進行了低溫起動時缸內(nèi)失

6、火和突減工況下活塞熱狀態(tài)的有限元模擬。根據(jù)計算結(jié)果可知：（1）、發(fā)動機起動初期，熱沖擊初期活塞的熱應力呈現(xiàn)較強的的動態(tài)效應，且起動溫度越低，活塞內(nèi)溫度升高率越大，熱應力越大；（2）、在發(fā)動機低溫起動過程中，對于熱沖擊載荷的施加，可以不考慮單個工作循環(huán)中燃氣溫度的波動，對于冷卻水溫不斷升高現(xiàn)象，可以使用分段平均的矩形波來模擬，這樣可以保證在計算量比較小的情況下獲得與與實際情況相符的仿真結(jié)果；（3）、突然停機工況（無后冷卻）下活塞內(nèi)熱狀態(tài)變