大功率机车活塞有限元法评估与材料对比分析

摘要

PA6活塞在东风系列机车上一直使用状态良好,但在2001年铁路大提速以后,机车的负载加大,280活塞在机车中修期内相继发生了因活塞裙部裂损而导致的车辆事故。针对活塞裙裂损失效现象,戚墅堰机车车辆工艺研究所提出了活塞裙小裆不加工的改进方案。 为了查找280组合活塞的失效原因,并评估280活塞的设计改进效果,对原280活塞及其改进方案在工作条件下的温度应力耦合场进行了三维有限元分析计算,同时通过对其相关力学性能包括高温抗拉强度及硬度,化学成分等进行分析测试对活塞所用三种原材料进行了对比分析。考虑到280组合式活塞结构上的复杂性,采用了先在PRO/E中建模,后导入ANSYS中分网加载计算的基本方案。结果表明：参考特征点温度的计算值与实验测定值吻合,说明所得的结果基本可靠。改进设计对活塞工作时温度场的影响不大。改进后螺栓座面处温度较原设计有3℃～7℃的降低。在工况三,四条件最大应力区域在活塞铝裙的档部靠近螺栓座面处,这与实际的失效位置相符合。在工况四条件铝裙改进后在易失效的螺栓座面过渡圆角区域应力有明显的下降,最大降幅超过15％。在工况三条件铝裙改进后在易失效的螺栓序面过渡圆角处应力无明显的下降。但在容易失效的应力较大处的几个点处的应力均有所下降,最大的应力降幅达6.1％。原材料对比测试分析结果表明,综合而言,美国原料的性能优于俄罗斯与中国原料,而后两者性能基本相当。

目录

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第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1大功率内燃机活塞材料应用现状及其分类

1.1.2当前280机车活塞出现的问题

1.2基本研究思路

1.3有限元法及其在活塞设计评估中的应用

1.3.1有限元软件的发展

1.3.2有限元法在活塞设计及改进评估中的应用现状及发展趋势

1.4本课题的主要内容，研究意义及创新点

1.4.1本课题的研究内容

1.4.2本课题的研究意义及创新点

第二章机车组合式活塞温度应力耦合场有限元分析

2.1有限元软件的比较选定

2.1.1有限元法基本原理及常用有限元分析软件

2.1.2有限元分析软件与问题解决方案的比较选定

2.2活塞三维模型的建立

2.2.1活塞顶的建模

2.2.2活塞裙的建模

2.2.3活塞销的建模

2.2.4各部什模型的组合

2.3有限元分析模型的建立

2.4利用有限元软件计算活塞耦合场

2.4.1材料特性，载荷工况及边界条件的确定

2.4.2活塞改进前后温度场有限元计算

2.4.3活塞改进前后温度应力耦合场的有限元计算

2.4.4结果处理与讨论

2.5小结

第三章活塞用不同原材料性能对比分析

3.1铝-硅合金中化学成分组成对组成相及合金性能的影响

3.2化学成分对比分析

3.3显微组织及对比

3.4热膨胀系数与热循环曲线测试

3.4.1热膨胀系数测试与对比

3.4.2热循环曲线测试与对比

3.5常温与高温拉伸性能测试

3.5.1常温拉伸性能测试

3.5.2高温拉伸性能测试与对比

3.6冲击实验结果与对比

3.7硬度测试与对比

3.8对比分析结果与讨论

第四章对机车活塞改进设计的综合讨论与评估

4.1有限元分析得出的易失效部位与实际火效部位吻合

4.2有限元分析结果表明改进设计后易失效部位受力状况有相当程度的改善

4.3材料对比分析表明国外料比国内料尺寸稳定性好，室温塑性高，室温及较低温强度高，但室温硬度和高温强度较低。

4.4更换原材料及改进设计后活塞的实际运行状况也验证了本研究的结论。

第五章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文