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活塞進行了仿真對比研究。研究工作的側重點在試驗上，主要進行了發(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力進行了測量；同時在國內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

2、應用于活塞熱沖擊模擬試驗。上述試驗技術的開發(fā)為深入探索內燃機活塞等受熱零部件熱狀態(tài)變化規(guī)律提供了先進的手段，進而為工程實際中熱損傷現(xiàn)象的預防奠定了工作基礎。 本文的主要工作及結論如下： 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上，著重分析了考慮動態(tài)耦合效應的一維平壁模型。分析結果表明：一維平壁模型中慣性項與準靜態(tài)計算結果差別甚微，可以忽略不計。同時通過計算可知，考慮耦合項的導熱模型與傅立葉導熱

3、方程相比，僅是引進了一個常數(shù)項，兩方程計算結果相差僅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果的影響，結果顯示：在上述因素中，載荷強度對仿真結果的影響最為顯著。 2)以150活塞為例，分別應用集總參數(shù)模型、一維平壁模型、二維軸對稱有限元模型進行仿真對比研究。計算結果表明：三種模型都能夠對活

4、塞的高周熱沖擊過程進行模擬，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力仿真，集總參數(shù)模型由于建立在忽略內部溫度變化的基礎上，因而不適用；一維平壁模型、二維軸對稱模型的仿真結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系。因此，在活塞熱沖擊的研究上，理論模型的復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、應力參數(shù)進行在線測量及存儲，停機后再對儲測儀內存儲的試驗數(shù)據(jù)進行處理。在150活塞上的實際應用表明，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備工作量；(3)CCD技術的應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