天然气发动机活塞强度试验研究及有限元仿真

摘要

在全球石油能源危机和排放法规日益严格的背景下，天然气发动机应运而生。对大功率、增压天然气发动机而言，其燃烧室组件的工作环境非常恶劣，其中又以活塞为甚。在天然气发动机的工作过程中，活塞直接与缸内高温高压燃气接触，承受着剧烈的周期性变化的热负荷和机械负荷。作为发动机动力输出的关键零部件之一，活塞在如此恶劣的工作环境中易发生烧蚀、开裂等故障，严重影响发动机工作的稳定性与可靠性。本文依托YC6MK型天然气发动机试验台架和ANSYS workbench软件，从试验研究和有限元仿真计算两个方面，对活塞承受的热负荷和机械负荷进行了研究。
　　首先，搭建天然气发动机试验台架，测量活塞在标定工况下的温度场。
　　其次，运用Pro/E软件建立活塞的三维全尺寸模型，利用HyperMesh软件对活塞模型进行网格划分，并导入有限元分析软件ANSYS workbench中。然后根据示功图和经验公式计算出活塞的热边界条件，并与试验数据对比，最终计算得到较为准确的活塞稳态温度场。考虑到缸内高温燃气对活塞的热冲击，计算出活塞的瞬态温度场。
　　最后，在活塞稳态温度场的基础上求得活塞的热应力和热变形，并在考虑缸内燃气压力和活塞的往复惯性力的情况下，计算求得活塞在标定工况最大爆发压力点的机械应力和机械变形，最终，在热负荷和机械负荷的共同作用下，计算出活塞的热-机械耦合应力和变形。
　　通过对计算结果进行分析可以得出：YC6MK型天然气发动机活塞在标定工况下承受了较大的热负荷和机械负荷，第一环槽处温度偏高易导致润滑油焦结，产生积碳，活塞销座卡环槽处出现应力集中现象。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要工作

第2章 天然气发动机活塞温度场试验研究

2.1 活塞温度场试验方法介绍

2.2 YC6MK375N-30型LNG发动机性能试验台架介绍

2.3 硬度塞法测量活塞温度场试验

第3章 活塞温度场仿真计算

3.1 活塞热分析理论

3.2 活塞的稳态温度场仿真计算

3.3活塞的瞬态温度场仿真计算

3.4 本章小结

第4章 活塞的热-机械耦合仿真分析

4.1 活塞应力有限元分析基本理论

4.2 活塞热应力的仿真计算

4.3 活塞机械应力的仿真计算

4.4 活塞热-机械耦合应力的仿真计算

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研活动