本文關(guān)鍵詞：復合隔熱活塞氣隙隔熱機理研究及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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【摘要】：隨著柴油機強化水平的不斷提高,活塞等零部件所受到的熱負荷等問題日益突出,容易出現(xiàn)活塞頭部、環(huán)槽等位置的失效問題,嚴重影響著柴油機活塞的工作可靠性。本文以某150柴油機活塞為基本模型,考慮隔熱陶瓷片、空氣隙、鑄鐵鑲?cè)Φ雀魺崾侄?設(shè)計出新型復合隔熱形式的活塞。對復合隔熱活塞進行幾何建模并通過有限元法進行仿真計算,分析活塞關(guān)鍵區(qū)域的熱強度并進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,提出改進措施。此外,還對其他活塞頭部隔熱方法進行了研究。為進行活塞溫度、應力、熱變形狀態(tài)分析,本文首先進行了柴油機性能仿真計算,得到活塞頂燃氣平均溫度、平均換熱系數(shù)等數(shù)據(jù),據(jù)此計算活塞的換熱邊界條件;根據(jù)活塞動力學分析得到螺栓所需預緊力、往復慣性力,得到活塞受力邊界條件。為得到隔熱活塞空氣腔的換熱邊界條件,結(jié)合理論研究和CFD數(shù)值模擬的方法,對隔熱活塞內(nèi)空氣隙的換熱機制、換熱系數(shù)、流動與換熱特性進行研究分析,發(fā)現(xiàn)空氣腔壁面換熱系數(shù)可達20~30 W/(m2?K),為活塞空氣腔部位提供熱邊界條件。通過有限元計算得到活塞溫度場及應力場,可以發(fā)現(xiàn):復合隔熱結(jié)構(gòu)活塞頭部溫度高、梯度大,而隔熱陶瓷片以下部位溫度相對較低,得到了很好的熱保護;由于各組件材料不同,在受熱條件下會出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào),使活塞中的高應力區(qū)出現(xiàn)在組件間的接觸面上。改變活塞關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)參數(shù)對活塞進行優(yōu)化,分析發(fā)現(xiàn):第一環(huán)槽的軸向位置對活塞整體影響很小;增大陶瓷片內(nèi)徑,使其與鋼頂軸向接觸面存在一定間隙,可減小陶瓷片整體的應力水平;對陶瓷片隔熱層進行局部異型,提出有效降低其應力的措施。對功能梯度材料隔熱片及鈦頂形式的隔熱活塞特性進行研究,分析發(fā)現(xiàn):功能梯度材料隔熱效果不及陶瓷,但對于緩解接觸面變形不協(xié)調(diào)有顯著作用;鈦頂鋁裙活塞可在滿足隔熱要求的前提下簡化活塞結(jié)構(gòu),但鈦合金與鋁合金物性參數(shù)差異較大,使得接觸面上的變形不協(xié)調(diào)。兩種方式都具備一定的可行性,但需根據(jù)應力場特點進行細節(jié)優(yōu)化。
【關(guān)鍵詞】：隔熱活塞 空氣隙 陶瓷隔熱 組合活塞 結(jié)構(gòu)設(shè)計
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK423
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-19
• 1.1 論文背景10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢10-17
• 1.2.1 柴油機活塞結(jié)構(gòu)的發(fā)展10-11
• 1.2.2 活塞材料的選擇11-15
• 1.2.3 活塞隔熱技術(shù)的發(fā)展15-17
• 1.3 本文研究意義17-18
• 1.4 本文研究內(nèi)容18-19
• 第2章 活塞有限元分析邊界條件研究及模型的建立19-32
• 2.1 活塞有限元分析邊界條件的研究確定19-28
• 2.1.1 內(nèi)燃機性能仿真計算19-20
• 2.1.2 活塞的換熱熱邊界條件確定20-24
• 2.1.3 活塞的受力邊界條件確定24-28
• 2.2 活塞有限元分析模型的建立28-31
• 2.2.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分28-29
• 2.2.2 隔熱活塞材料的選擇29-31
• 2.3 本章小結(jié)31-32
• 第3章 氣隙隔熱機理研究32-46
• 3.1 活塞的氣隙隔熱研究現(xiàn)狀32-37
• 3.1.1 空氣隙活塞研究現(xiàn)狀32-34
• 3.1.2 空氣隔熱機理研究34-37
• 3.2 氣隙換熱計算模型及求解條件37-38
• 3.2.1 空氣間隙的幾何模型37
• 3.2.2 初始條件與邊界條件37-38
• 3.3 氣隙換熱各因素影響研究38-44
• 3.3.1 空氣間隙的穩(wěn)態(tài)換熱特性38-40
• 3.3.2 空氣間隙的瞬態(tài)換熱特性40-42
• 3.3.3 空氣間隙結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱的影響42-44
• 3.3.4 發(fā)動機轉(zhuǎn)速對換熱的影響44
• 3.4 本章小結(jié)44-46
• 第4章 150活塞熱流分配與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究46-61
• 4.1 復合隔熱活塞仿真計算分析46-53
• 4.1.1 復合隔熱活塞溫度場計算分析46-49
• 4.1.2 復合隔熱活塞耦合應力場計算分析49-52
• 4.1.3 復合隔熱活塞頭部熱變形計算分析52-53
• 4.2 活塞局部結(jié)構(gòu)對溫度、應力場的影響53-59
• 4.2.1 活塞第一環(huán)槽位置的影響53-55
• 4.2.2 陶瓷片內(nèi)徑增大對活塞的影響55-57
• 4.2.3 陶瓷片局部異型57-59
• 4.3 本章小結(jié)59-61
• 第5章 活塞頭部隔熱技術(shù)研究61-80
• 5.1 功能梯度材料的影響研究61-73
• 5.1.1 功能梯度材料的應用研究61-62
• 5.1.2 功能梯度材料的特性研究62-63
• 5.1.3 功能梯度材料對活塞的影響研究63-73
• 5.2 鈦合金頭部的影響研究73-79
• 5.2.1 鈦合金在發(fā)動機中的應用概況73-74
• 5.2.2 鈦合金材料性能74-75
• 5.2.3 鈦合金活塞頂對活塞的影響研究75-79
• 5.3 本章小結(jié)79-80
• 第6章 總結(jié)與展望80-82
• 6.1 全文總結(jié)80-81
• 6.2 創(chuàng)新點81
• 6.3 工作展望81-82
• 參考文獻82-86
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單86-87
• 致謝87

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本文編號：779776