本文關(guān)鍵詞：全鋼活塞的熱機耦合仿真分析及疲勞壽命預(yù)測

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【摘要】：內(nèi)燃機是當(dāng)前世界上應(yīng)用最為廣泛的熱動力裝置，它使燃料在燃燒室中進行燃燒，釋放熱能，是將高溫高壓燃料氣體本身的熱能經(jīng)連桿傳遞再通過曲柄轉(zhuǎn)化成機械能進而產(chǎn)生動力的工業(yè)革命的產(chǎn)物。而活塞是整個內(nèi)燃機工作環(huán)境最為嚴(yán)峻的一個零件，它受到高強度的機械負荷以及熱負荷，活塞疲勞設(shè)計的好壞直接關(guān)系到內(nèi)燃機的經(jīng)濟性、可靠性和使用壽命，所以對活塞進行熱機耦合分析和疲勞壽命預(yù)測是很有必要的。 本文是基于UG三維作圖軟件、ANSA前處理軟件、ANSYS有限元分析軟件以及Ncode-designlife疲勞壽命后處理軟件，對活塞多軸應(yīng)力下的機械應(yīng)力、熱應(yīng)力和熱機耦合進行研究，分析其變形和應(yīng)力應(yīng)變分布，并結(jié)合熱機耦合的瞬態(tài)動力學(xué)分析對活塞的多軸疲勞壽命進行預(yù)測，同時還研究了活塞的低周熱疲勞壽命。主要做了以下工作： （1）利用UG三維作圖軟件建立活塞連桿組的1/4三維模型，將模型導(dǎo)入到ANSA前處理軟件中，進行網(wǎng)格劃分，，為了得到精確的分析結(jié)果，應(yīng)對倒角、倒圓、小孔和第一環(huán)槽部位進行網(wǎng)格細化處理。 （2）根據(jù)經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式確定活塞第三類熱邊界條件，在ANSYS軟件中將該邊界條件施加到活塞有限元模型上進行活塞穩(wěn)態(tài)溫度場計算，得到活塞的溫度場、熱流密度和溫度梯度分布。 （3）在求得溫度場的基礎(chǔ)上對活塞的熱負荷進行仿真分析，并研究最大爆壓時刻活塞的機械載荷，最后結(jié)合動力學(xué)，進行活塞熱機耦合的瞬態(tài)分析，得到活塞的變形和應(yīng)力應(yīng)變分布。 （4）運用臨界平面法和活塞材料的E-N曲線，根據(jù)熱機耦合瞬態(tài)動力學(xué)的分析結(jié)果，在Ncode-designlife疲勞軟件中對活塞的多軸疲勞壽命進行預(yù)測；同時對活塞低周熱疲勞進行壽命預(yù)測。 通過以上的研究分析，得到了活塞工作的危險部位和疲勞壽命預(yù)測結(jié)果，為該設(shè)計活塞進一步減重設(shè)計提供依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：活塞 溫度場 熱機耦合 疲勞壽命
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK401
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-17
• 1.1 本文的研究背景及意義10-11
• 1.1.1 選題依據(jù)和背景情況10
• 1.1.2 課題研究目的10-11
• 1.1.3 理論意義和實際應(yīng)用價值11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)11-15
• 1.2.1 活塞的熱機耦合研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 活塞機械疲勞和熱疲勞研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.3 活塞的疲勞研究發(fā)展動態(tài)14-15
• 1.3 本文研究內(nèi)容15-16
• 1.3.1 學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路15
• 1.3.2 主要研究內(nèi)容15-16
• 1.4 本章小結(jié)16-17
• 第二章 理論基礎(chǔ)及有限元模型17-29
• 2.1 有限元理論簡介17-21
• 2.1.1 有限元概述17-18
• 2.1.2 彈性力學(xué)理論基礎(chǔ)18-21
• 2.2 有限元熱分析理論21-24
• 2.2.1 導(dǎo)熱基本定律—Fourier 定律21-22
• 2.2.2 活塞的導(dǎo)熱微分方程22-23
• 2.2.3 溫度場的三類邊界條件23-24
• 2.3 活塞的有限元模型24-28
• 2.3.1 活塞的三維幾何模型25-26
• 2.3.2 活塞的三維有限元模型26-27
• 2.3.3 活塞材料參數(shù)27-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第三章 活塞溫度場的仿真分析29-46
• 3.1 活塞的熱負荷29-31
• 3.1.1 活塞的熱負荷分析29-30
• 3.1.2 活塞的熱狀態(tài)30-31
• 3.2 活塞溫度場的熱邊界條件31-41
• 3.2.1 活塞頂部和外部高溫燃氣的換熱系數(shù)31-34
• 3.2.2 活塞和冷卻水的換熱系數(shù)34-38
• 3.2.3 活塞內(nèi)冷油腔的換熱系數(shù)38-39
• 3.2.4 活塞內(nèi)腔與油霧的換熱系數(shù)39-41
• 3.3 活塞溫度場仿真分析41-45
• 3.3.1 活塞溫度分布結(jié)果分析41-43
• 3.3.2 活塞熱流密度和溫度梯度結(jié)果分析43-45
• 3.4 本章小結(jié)45-46
• 第四章 活塞熱機耦合的仿真分析46-70
• 4.1 活塞承受的機械載荷分析46-51
• 4.1.1 活塞所受載荷計算46-49
• 4.1.2 活塞加速度計算49-51
• 4.2 活塞機械負荷分析邊界條件51-53
• 4.2.1 活塞位移邊界條件52-53
• 4.2.2 活塞的接觸邊界條件53
• 4.3 活塞機械負荷有限元仿真分析53-57
• 4.4 活塞熱負荷有限元仿真分析57-61
• 4.5 活塞熱機耦合有限元仿真分析61-68
• 4.5.1 活塞熱機耦合工況及邊界條件分析61-63
• 4.5.2 活塞邊界條件的加載63
• 4.5.3 活塞熱機耦合的仿真結(jié)果分析63-68
• 4.6 本章小結(jié)68-70
• 第五章 活塞的疲勞壽命分析70-85
• 5.1 疲勞的理論基礎(chǔ)70-76
• 5.1.1 疲勞累積損傷理論70-72
• 5.1.2 疲勞壽命評價準(zhǔn)則72-74
• 5.1.3 多軸疲勞失效準(zhǔn)則74-76
• 5.2 活塞疲勞壽命方法基礎(chǔ)76-79
• 5.2.1 疲勞裂紋萌生壽命模型76-77
• 5.2.2 臨界平面法77-79
• 5.3 活塞熱機疲勞壽命仿真分析79-82
• 5.3.1 活塞載荷譜和材料特性79-81
• 5.3.2 活塞熱機疲勞壽命仿真預(yù)測結(jié)果分析81-82
• 5.4 活塞低周熱疲勞壽命分析82-84
• 5.4.1 活塞的熱沖擊82-83
• 5.4.2 活塞低周熱疲勞壽命仿真預(yù)測結(jié)果分析83-84
• 5.5 本章小結(jié)84-85
• 第六章 總結(jié)與展望85-88
• 6.1 總結(jié)85-86
• 6.2 展望86-88
• 參考文獻88-92
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及取得的研究成果92-93
• 致謝93

【參考文獻】

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本文編號：914562