【摘要】：為了滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展要求,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不斷向高功率、高負(fù)荷方向發(fā)展,作為柴油機(jī)核心部件之一的活塞將承受著更大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。目前柴油機(jī)活塞承受的最大爆發(fā)壓力已超過20MPa,如此惡劣的工作環(huán)境給活塞的可靠性帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。通過對(duì)柴油機(jī)活塞頂部進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理,利用氧化層熱導(dǎo)率低的特性可以有效降低活塞基體溫度;同時(shí)由于氧化層與基體金屬之間結(jié)合緊密且兩者熱膨脹系數(shù)不同,高溫狀態(tài)下被氧化層覆蓋的活塞頂面受到拉應(yīng)力作用從而改變活塞頂面原有的應(yīng)力狀態(tài),合理利用這一特性改善活塞頂面應(yīng)力狀態(tài)可以有效減少頂面裂紋產(chǎn)生。此外氧化層還具有良好的耐磨性和耐腐蝕性,進(jìn)一步提高了活塞的可靠性。所以研究如何對(duì)柴油機(jī)活塞頂部進(jìn)行合理的硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理,對(duì)減少活塞疲勞失效、提高活塞可靠性具有重要意義。本文以某型號(hào)柴油機(jī)活塞作為研究對(duì)象,根據(jù)氧化區(qū)域不同設(shè)計(jì)三種方案,每種方案包括七種不同氧化層厚度。通過有限元軟件對(duì)不同氧化層的活塞溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及疲勞壽命進(jìn)行模擬,并結(jié)合硬度塞測(cè)溫試驗(yàn)、熱疲勞測(cè)試試驗(yàn)和氣蝕循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果綜合分析硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理對(duì)活塞可靠性的影響。本文主要研究結(jié)果如下:(1)氧化層熱導(dǎo)率僅為活塞基體熱導(dǎo)率的八分之一,良好的隔熱性能使得氧化層在活塞頂部起到了熱障作用,從而整體降低活塞頭部的溫度,活塞的最大熱應(yīng)力和熱變形也相應(yīng)的減少。模擬結(jié)果表明:1號(hào)方案氧化層厚度每增加25μm,活塞基體最高溫度下降1.63℃;2號(hào)方案氧化層厚度每增加25μm,活塞基體最高溫度下降1.35℃;3號(hào)方案氧化層厚度每增加25μm,活塞基體最高溫度下降1.08℃。總體趨勢(shì)為氧化層越厚、覆蓋區(qū)域越廣,則活塞高溫區(qū)域溫度下降越明顯,而活塞低溫區(qū)域溫度變化不明顯。僅從降溫角度看,1號(hào)方案為最佳方案。(2)原始活塞頂部在活塞銷方向受拉應(yīng)力作用,在垂直活塞銷方向受壓應(yīng)力作用,活塞頂面和喉口處應(yīng)力值最大而最易形成開裂。高溫狀態(tài)下在活塞頂部合理布置氧化層可以有效的改善活塞頂面原有應(yīng)力狀態(tài),從而減少頂面開裂以提高活塞可靠性。模擬結(jié)果表明:1號(hào)方案會(huì)增大燃燒室側(cè)面和底面受到的拉應(yīng)力而容易導(dǎo)致開裂。2號(hào)方案活塞銷方向喉口處被氧化,進(jìn)一步增大該區(qū)域受到的拉應(yīng)力而容易導(dǎo)致開裂。3號(hào)方案能夠最為合理的改善活塞頂面應(yīng)力狀態(tài)。(3)對(duì)普通活塞和硬氧活塞進(jìn)行熱疲勞測(cè)試的結(jié)果表明,對(duì)活塞頂面進(jìn)行合理的硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理可以大幅度提高活塞疲勞壽命。燃燒室喉口開裂循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明,硬氧活塞可靠性高于普通活塞,但氧化層布置不合理反而會(huì)導(dǎo)致新的開裂產(chǎn)生,氧化層良好的耐磨性和耐腐蝕性對(duì)提高活塞可靠性也起著重要作用。
【圖文】：

硬氧活塞喉口開裂Fig.1.1Crackofhardoxygenpistonthroat

將連續(xù)場(chǎng)函數(shù)的（偏）微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化為有限個(gè)參數(shù)的代數(shù)方程組的求解問題。圖2.1 為連續(xù)區(qū)域采用有限元方法離散化前后示意圖，有限元通過離散化可以得到問題的解析解而非準(zhǔn)確解，，在區(qū)域邊界上會(huì)進(jìn)行近似替代。目前絕大多數(shù)實(shí)際問題的準(zhǔn)確解是難以獲得的，相比其他計(jì)算方法，有限元法具備相當(dāng)高的精確度并且效率較高，所以在復(fù)雜的工程問題分析中發(fā)揮著重要作用。(a) 區(qū)域離散前 (b) 區(qū)域離散后圖 2.1 連續(xù)區(qū)域有限元方法離散化前后示意圖Fig.2.1 Continuous area discretization with the finite element method有限元法解決實(shí)際問題的基本步驟：（1）離散化離散化是將連續(xù)問題區(qū)域分解為有限個(gè)子區(qū)域的過程。有限元計(jì)算的核心就是離散化，在實(shí)際問題的分析中具體表現(xiàn)為對(duì)幾何模型的網(wǎng)格劃分。目前應(yīng)用較為廣泛的Hypermesh、ICEM 等商用有限元軟件都能實(shí)現(xiàn)對(duì)所構(gòu)建物理模型的自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分。
【學(xué)位授予單位】：山東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK423

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2702522