本文關(guān)鍵詞：柴油機(jī)活塞鋁合金材料燒蝕規(guī)律研究

  更多相關(guān)文章： 活塞 燒蝕機(jī)理 數(shù)學(xué)模型 近壁燃燒 失效評(píng)估

【摘要】：隨著柴油機(jī)強(qiáng)化水平的不斷提高,活塞等零部件所受到的熱負(fù)荷等問(wèn)題日益突出,容易產(chǎn)生燒蝕失效等現(xiàn)象的發(fā)生,嚴(yán)重影響著柴油機(jī)正�？煽康墓ぷ�。為了揭示鋁合金材料燒蝕失效現(xiàn)象的物理本質(zhì),本文對(duì)活塞用鋁合金材料試件進(jìn)行了燒蝕試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了鋁合金材料燒蝕機(jī)理分析和燒蝕模型建立,針對(duì)鋁合金試件進(jìn)行了燒蝕模擬計(jì)算研究,與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了燒蝕模型的正確性;活塞燒蝕涉及到的因素較多,為得到活塞的燒蝕規(guī)律,采用簡(jiǎn)化的燒蝕計(jì)算方法對(duì)活塞在工作中經(jīng)常出現(xiàn)的異常工況所引起的燒蝕失效現(xiàn)象進(jìn)行了模擬分析,同時(shí),對(duì)氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料和硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料進(jìn)行燒蝕測(cè)試與分析,并就氧化鋁纖維局部增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料活塞的抗燒蝕性能進(jìn)行了模擬計(jì)算分析;最后,對(duì)鋁合金材料燒蝕失效評(píng)估方法進(jìn)行了研究。利用火焰加熱器、試驗(yàn)儀器和設(shè)備,建立了能模擬活塞材料在高溫高速氣流沖刷條件下的燒蝕試驗(yàn)裝置,利用鋁合金試件進(jìn)行燒蝕試驗(yàn)研究。分析得到試件表面溫度對(duì)于試件的質(zhì)量燒蝕率影響最顯著,氣流沖刷角度、燃?xì)馑俣葘?duì)質(zhì)量燒蝕率的影響則依次減弱,但后兩個(gè)因素的影響差距不大,得出試件的質(zhì)量燒蝕率與各影響因素的關(guān)系曲線;并對(duì)試件燒蝕后的表面、截面形貌及材料成分進(jìn)行了分析。根據(jù)鋁合金試件的燒蝕試驗(yàn)及結(jié)果分析,對(duì)鋁合金材料的燒蝕機(jī)理進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明,鋁合金材料在高速高溫燃?xì)獾淖饔孟?首先使具有較高硅含量的共晶結(jié)構(gòu)成分最先達(dá)到熔點(diǎn),熔化后體積膨脹,體積膨脹引起的體積增加部分將被擠出并以顆粒狀附著在試件的表面,同時(shí)試件表層熔點(diǎn)較低的成分熔化后和擠出的顆粒物質(zhì)一起在高速燃?xì)饬鞯臍鈩?dòng)剪力的作用下被很快吹除,形成了材料的熔化燒蝕。試件表層熔點(diǎn)較低的成分熔化后和擠出的顆粒物質(zhì)被沖刷去除后,其它主要物質(zhì)仍留在試件表面,當(dāng)表面粗糙度達(dá)到臨界值時(shí),高溫高速的燃?xì)饬鳟a(chǎn)生的強(qiáng)大剪切力作用于突起的材料部分,最終導(dǎo)致突起的材料部分發(fā)生失效被高速燃?xì)饬鞔底?造成材料的機(jī)械剝蝕。鋁合金材料的燒蝕問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的多重耦合問(wèn)題,基于鋁合金材料的燒蝕過(guò)程和機(jī)理的分析,鋁合金材料質(zhì)量的損失應(yīng)由三部分組成:熔化液體擠出部分損失、表面熔化材料損失和表面氣流剝蝕損失,建立了鋁合金材料燒蝕模型,包括了熔化燒蝕和氣流剝蝕兩方面的影響機(jī)制。對(duì)試驗(yàn)燒蝕系統(tǒng)進(jìn)行了幾何建模,利用FLUENT軟件對(duì)燒蝕試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)段內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲取燒蝕試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)在燒蝕試件壁面上的對(duì)流換熱系數(shù)等參數(shù);然后將這些參數(shù)作為邊界條件,采用差分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法對(duì)試件燒蝕溫度場(chǎng)進(jìn)行求解,并運(yùn)用所建的鋁合金材料燒蝕模型,對(duì)鋁合金試件進(jìn)行了燒蝕計(jì)算,計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較吻合,表明所建的鋁合金材料燒蝕模型及試件的燒蝕計(jì)算方法可以很好的對(duì)試件的燒蝕進(jìn)行預(yù)示。針對(duì)某型高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的近壁燃燒所引起的燒蝕失效現(xiàn)象進(jìn)行分析,選擇合適的計(jì)算模型,利用軟件AV L FIRE對(duì)該型柴油機(jī)進(jìn)行燃燒模擬計(jì)算,進(jìn)而確定該型柴油機(jī)在活塞燒蝕工況下活塞頂面的熱邊界條件;并采用簡(jiǎn)化的燒蝕計(jì)算模型及計(jì)算方法對(duì)活塞燒蝕失效現(xiàn)象進(jìn)行模擬計(jì)算,得到了活塞傳熱燒蝕比較全面詳細(xì)的結(jié)果;同時(shí)對(duì)冷卻油腔結(jié)焦工況下引起的活塞燒蝕現(xiàn)象進(jìn)行了模擬分析,以上分析結(jié)果對(duì)活塞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供合理的理論依據(jù)。針對(duì)鋁合金材料活塞抗燒蝕性能較差的狀況,利用所建的燒蝕試驗(yàn)裝置分別對(duì)氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料和硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料進(jìn)行了燒蝕測(cè)試與分析,對(duì)比分析了鋁硅合金與兩種復(fù)合材料的抗燒蝕性能,并就氧化鋁纖維局部增強(qiáng)鋁硅基活塞的抗燒蝕性能進(jìn)行了模擬計(jì)算分析。結(jié)果表明,氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料和硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料具有致密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和較大的高溫強(qiáng)度,在高溫高速氣流的沖擊下,仍能使材料整體保持很好的結(jié)構(gòu),材料的質(zhì)量燒蝕量和質(zhì)量燒蝕量較小,相對(duì)于鋁硅合金材料都具有良好的抗燒蝕性能,同時(shí)由于硼酸鋁晶須結(jié)構(gòu)組織更為致密,硼酸鋁晶須增強(qiáng)復(fù)合材料的抗燒蝕性能更為出色。通過(guò)進(jìn)行鋁合金材料試件燒蝕后硬度等參數(shù)的測(cè)試,得到了洛氏硬度與燒蝕溫度的關(guān)系曲線,從而建立了鋁合金類材料燒蝕失效的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)制定了鋁合金類材料抗燒蝕性能試驗(yàn)規(guī)范,根據(jù)此規(guī)范,可對(duì)鋁合金類材料的抗燒蝕性能進(jìn)行評(píng)估。
【關(guān)鍵詞】：活塞 燒蝕機(jī)理 數(shù)學(xué)模型 近壁燃燒 失效評(píng)估
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK425
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-18
• 第1章 緒論18-29
• 1.1 選題的背景、目的和意義18-20
• 1.2 非金屬材料燒蝕的研究歷史及現(xiàn)狀20-23
• 1.2.1 燒蝕模型與數(shù)值模擬研究20-22
• 1.2.2 燒蝕試驗(yàn)研究22-23
• 1.3 金屬材料燒蝕的研究歷史及現(xiàn)狀23-25
• 1.3.1 燒蝕模型與數(shù)值模擬研究23-25
• 1.3.2 燒蝕試驗(yàn)研究25
• 1.4 活塞燒蝕失效研究進(jìn)展25-26
• 1.5 研究?jī)?nèi)容和研究意義26-29
• 第2章 活塞用鋁合金材料燒蝕試驗(yàn)研究29-51
• 2.1 材料與試驗(yàn)方法29-37
• 2.1.1 材料與試件制備29-30
• 2.1.2 材料的拉伸性能測(cè)試30-32
• 2.1.3 材料的其它物性參數(shù)測(cè)試32
• 2.1.4 差示掃描量熱分析32-33
• 2.1.5 燒蝕試驗(yàn)系統(tǒng)及方法33-37
• 2.2 燒蝕試驗(yàn)結(jié)果分析37-49
• 2.2.1 試件燒蝕表面、截面形貌與成分分析39-46
• 2.2.2 各參數(shù)對(duì)試件燒蝕率的影響分析46-48
• 2.2.3 影響因素的顯著性分析48-49
• 2.3 本章小結(jié)49-51
• 第3章 活塞用鋁合金材料傳熱燒蝕機(jī)理及燒蝕模型研究51-58
• 3.1 鋁合金材料燒蝕機(jī)理51-52
• 3.2 鋁合金材料燒蝕模型52-56
• 3.2.1 鋁合金材料液相率與溫度關(guān)系分析52
• 3.2.2 鋁合金材料試件燒蝕過(guò)程分析52-53
• 3.2.3 鋁合金材料燒蝕模型基本假設(shè)53
• 3.2.4 鋁合金材料燒蝕模型53-56
• 3.3 本章小結(jié)56-58
• 第4章 鋁合金試件燒蝕數(shù)值模擬及驗(yàn)證58-68
• 4.1 燒蝕試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)段流場(chǎng)數(shù)值模擬58-63
• 4.1.1 流場(chǎng)物理模型及計(jì)算網(wǎng)格58-60
• 4.1.2 計(jì)算的初始及邊界條件60-61
• 4.1.3 流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果61-63
• 4.2 試件燒蝕的數(shù)值計(jì)算63-67
• 4.2.1 鋁合金材料燒蝕計(jì)算流程64-65
• 4.2.2 燒蝕數(shù)值模擬結(jié)果65-66
• 4.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比66-67
• 4.3 本章小結(jié)67-68
• 第5章 活塞燒蝕失效規(guī)律研究68-89
• 5.1 柴油機(jī)性能計(jì)算及活塞換熱邊界條件的確定68-82
• 5.1.1 三維模型建立及計(jì)算網(wǎng)格生成68-70
• 5.1.2 計(jì)算模型70-76
• 5.1.3 計(jì)算的初始條件76
• 5.1.4 性能仿真模型的建立和驗(yàn)證76-77
• 5.1.5 柴油機(jī)近壁燃燒工況性能仿真分析研究和活塞頂面換熱邊界條件77-81
• 5.1.6 活塞冷卻側(cè)換熱邊界條件81-82
• 5.2 活塞燒蝕有限元分析82-86
• 5.2.1 有限元模型建立82
• 5.2.2 活塞燒蝕有限元計(jì)算82-86
• 5.2.3 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比86
• 5.3 冷卻油腔結(jié)焦工況活塞燒蝕分析86-88
• 5.4 本章小結(jié)88-89
• 第6章 復(fù)合材料活塞燒蝕性能研究89-107
• 6.1 氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料燒蝕試驗(yàn)分析89-95
• 6.1.1 抗拉強(qiáng)度90-91
• 6.1.2 試件表面分析91-94
• 6.1.3 試件截面分析94-95
• 6.2 硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料燒蝕試驗(yàn)分析95-101
• 6.2.1 硼酸鋁晶須增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料的制備方法95-96
• 6.2.2 抗拉強(qiáng)度96
• 6.2.3 試件表面分析96-99
• 6.2.4 試件截面形貌分析99-101
• 6.3 燒蝕量分析101-103
• 6.4 氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料活塞燒蝕模擬計(jì)算103-106
• 6.4.1 氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料活塞的制備103-104
• 6.4.2 氧化鋁纖維增強(qiáng)鋁硅基復(fù)合材料活塞有限元分析104-106
• 6.5 本章小結(jié)106-107
• 第7章 鋁合金類材料燒蝕失效評(píng)估方法研究107-114
• 7.1 鋁合金類材料燒蝕失效評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)107-111
• 7.1.1 試驗(yàn)方案107-108
• 7.1.2 試驗(yàn)設(shè)備108-109
• 7.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析109-111
• 7.2 鋁合金類材料抗燒蝕性能試驗(yàn)規(guī)范研究111-113
• 7.2.1 試件111
• 7.2.2 試驗(yàn)設(shè)備111
• 7.2.3 試驗(yàn)方法111-112
• 7.2.4 結(jié)果處理112-113
• 7.3 本章小結(jié)113-114
• 結(jié)論114-118
• 1. 全文總結(jié)114-116
• 2. 創(chuàng)新之處116-117
• 3. 工作展望117-118
• 參考文獻(xiàn)118-127
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果127-129
• 致謝129-130
• 作者簡(jiǎn)介130

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：901830