柴油機活塞熱沖擊問題的試驗研究.pdf

1、活塞作為發(fā)動機的主要受熱零件之一，在實際應(yīng)用中，承受著劇烈的高周及低周熱沖擊作用，這是活塞熱損傷的主要原因所在。本文在理論研究方面并沒有建立更為復(fù)雜的模型，而是通過集總參數(shù)、一維平壁、二維軸對稱三種不同模型對150活塞進(jìn)行了仿真對比研究。研究工作的側(cè)重點在試驗上，主要進(jìn)行了發(fā)動機多通道儲測系統(tǒng)的研制，并利用該系統(tǒng)對150活塞實際工況下溫度及應(yīng)力進(jìn)行了測量；同時在國內(nèi)首次建立了基于激光加熱的熱沖擊模擬試驗臺架，并創(chuàng)新性地將激光光束變換技術(shù)

2、應(yīng)用于活塞熱沖擊模擬試驗。上述試驗技術(shù)的開發(fā)為深入探索內(nèi)燃機活塞等受熱零部件熱狀態(tài)變化規(guī)律提供了先進(jìn)的手段，進(jìn)而為工程實際中熱損傷現(xiàn)象的預(yù)防奠定了工作基礎(chǔ)。 本文的主要工作及結(jié)論如下： 1)文中在給出活塞的集總參數(shù)模型、一維平壁模型、二維有限元模型的基礎(chǔ)上，著重分析了考慮動態(tài)耦合效應(yīng)的一維平壁模型。分析結(jié)果表明：一維平壁模型中慣性項與準(zhǔn)靜態(tài)計算結(jié)果差別甚微，可以忽略不計。同時通過計算可知，考慮耦合項的導(dǎo)熱模型與傅立葉導(dǎo)熱

3、方程相比，僅是引進(jìn)了一個常數(shù)項，兩方程計算結(jié)果相差僅1.38％。通過對慣性項及耦合項的上述處理并以矩形波載荷為激勵，得到了一維平壁模型的解析解。并從材料物性參數(shù)，載荷強度，載荷周期以及初始溫度等方面研究了各參數(shù)對一維平壁模型仿真計算結(jié)果的影響，結(jié)果顯示：在上述因素中，載荷強度對仿真結(jié)果的影響最為顯著。 2)以150活塞為例，分別應(yīng)用集總參數(shù)模型、一維平壁模型、二維軸對稱有限元模型進(jìn)行仿真對比研究。計算結(jié)果表明：三種模型都能夠?qū)?/p>

4、塞的高周熱沖擊過程進(jìn)行模擬，活塞溫度波動趨勢相同，波動幅值存在差別。對于高周熱沖擊過程中的應(yīng)力仿真，集總參數(shù)模型由于建立在忽略內(nèi)部溫度變化的基礎(chǔ)上，因而不適用；一維平壁模型、二維軸對稱模型的仿真結(jié)果與實際情況存在較大偏差，這是因為模型的計算精度與邊界條件以及初始條件的選取有直接關(guān)系。因此，在活塞熱沖擊的研究上，理論模型的復(fù)雜程度并不是主要因素，邊界條件和初始條件的選擇是否合適才是模型是否實用的先決條件，而邊界條件與初始條件的選擇在很大程

5、度上上依賴于試驗。 3)研制了多通道活塞儲測儀，該儀器可以安裝于活塞底部，對活塞在實際運行過程中的溫度、應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行在線測量及存儲，停機后再對儲測儀內(nèi)存儲的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在150活塞上的實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)的研制成功為熱沖擊問題的研究提供了有力的工具。 4)在國內(nèi)首次建立了以激光為加熱熱源的熱沖擊模擬試驗臺架。該試驗臺架與其他加熱方式的模擬試驗臺架相比具有如下優(yōu)點：(1)加熱周期短，通過控制激光器輸出功率波形(矩形波

6、、三角波)，并通過轉(zhuǎn)光片將激 光光束分成若干個同心光環(huán)垂直投射到活塞頂面，其區(qū)域范圍和溫度分布盡量符合實際工況要求，從而使模擬試驗更加接近實際工況；(2)可以實現(xiàn)活塞溫度的非接觸測量，一方面避免了活塞上安裝熱電偶造成的對活塞溫度場分布的破壞，另一方面降低了試驗準(zhǔn)備工作量；(3)CCD技術(shù)的應(yīng)用使得活塞熱損傷的檢測工作更加方便。 5)創(chuàng)新性地將激光光束空間變換技術(shù)引入活塞模擬試驗中。該方法首先通過實機試驗及三維有限元分析獲取活塞