大功率船用柴油機活塞強度和疲勞壽命分析.pdf

1、隨著內(nèi)燃機不斷向強化、增壓方向發(fā)展，內(nèi)燃機熱負荷和機械負荷問題越來越引起人們的重視。活塞組的設(shè)計直接影響著柴油機性能、使用可靠性及耐久性。尤其是船用柴油機，船用柴油機的零部件尺寸相對很大，樣品試驗會耗費大量的人力和財力。因此，對船用柴油機及工作在惡劣環(huán)境下的零部件進行熱負荷、機械負荷以及熱負荷與機械負荷藕合的模擬計算以評估其可靠性，對于柴油機的開發(fā)過程來說是非常重要和有意義的。本文基于這種考慮，利用專業(yè)商用有限元分析軟件ABAQUS對低

2、速大功率船用柴油機活塞進行熱負荷、機械載荷以及熱-機械載荷作用下應(yīng)力和變形的有限元分析以及疲勞壽命預(yù)測。
　　本文利用UG軟件繪出5S60柴油機活塞詳細準確的三維模型，運用HyperMesh軟件建立活塞組裝配體網(wǎng)格模型;對柴油機穩(wěn)定工作時活塞組的運動和受力進行數(shù)值分析，并在此基礎(chǔ)上運用ABAQUS進行機械載荷作用下的應(yīng)力變形計算；利用AVLBOOST建立柴油機缸內(nèi)燃燒過程仿真模型計算得出柴油機活塞頂面穩(wěn)定工況下的邊界溫度和換熱系數(shù)

3、；同時，根據(jù)活塞振蕩冷卻的形式而確定活塞與冷卻介質(zhì)的換熱方式，根據(jù)經(jīng)驗公式計算確定活塞側(cè)面與缸套側(cè)、活塞與冷卻介質(zhì)之間的換熱系數(shù)。把計算得出的換熱系數(shù)和邊界溫度作為邊界條件，通過ABAQUS軟件計算得出活塞在柴油機穩(wěn)態(tài)運行時的溫度場分布。在得出合理溫度場的前提下，對活塞進行熱負荷作用下的應(yīng)力變形分析。最后，利用ABAQUS分析軟件，對活塞進行熱-機耦合載荷作用下的強度分析；并運用nSoft軟件預(yù)測活塞工作時的疲勞壽命。本文在最終部分還分

4、析了螺栓裝配預(yù)緊力對活塞疲勞壽命的影響。
　　由活塞溫度場分析結(jié)果可知，活塞溫度最高的地方位于活塞頂面，最高可達432.8℃，具體位置位于活塞頭頂面的邊緣處，活塞第一環(huán)槽處的溫度為195.4℃，滿足設(shè)計要求；通過分析活塞的受熱、受力以及熱-機耦合情況，得到活塞內(nèi)部的應(yīng)力和變形分布，確定活塞內(nèi)部變形過大主要是由熱負荷引起，綜合變形的最大值是1.054mm，最大變形出現(xiàn)在活塞頂面的邊緣處，符合活塞與氣缸之間的裝配要求；而應(yīng)力集中以機械

5、載荷作用為主，最大應(yīng)力為516.7MPa，分布在環(huán)形冷卻腔靠近活塞頭與活塞桿連接面的一側(cè)與振蕩冷卻孔的交匯處。預(yù)測活塞在沖擊載荷下的疲勞壽命，得出螺栓裝配預(yù)緊力越大對疲勞壽命的影響越大。由分析結(jié)果可知，在柴油機活塞組設(shè)計及裝配管理過程中，需要關(guān)注活塞與汽缸缸套之間的裝配間隙、活塞頂面表面一層材料的耐高溫性能、活塞受熱-機耦合載荷時出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方與振蕩冷卻孔的位置有關(guān)以及螺栓裝配預(yù)緊力的影響，以提高活塞工作可靠性，為柴油機進一步的強化