基于仿真加速试验和数理统计的活塞可靠性研究

摘要

随着对产品性能要求的提高和国家低碳经济发展的需要，内燃机作为当今社会的主要动力装置之一，其功率密度有着显著提高，这就带来了高热负荷和高爆发压力的挑战。而活塞作为内燃机的核心部分之一，项面直接承受燃烧室内高温高压工质影响，其可靠性备受相关人员的关注。本文针对该领域尚未解决的问题，利用三维仿真对缸内燃烧进行分析，运用有限元得到活塞应力分布，并结合加速试验理论通过不同加速工况的仿真结果估算活塞额定工况的寿命，对活塞的可靠性进行评估。
　　具体的，首先针对国内主要利用经验公式获取活塞顶面边界条件的现状，本文运用三维CFD软件对一个周期内燃烧室中的情况进行仿真，不仅能够对缸内流动、传热、燃烧状况进行评估，还能从中获得活塞顶面温度与换热系数分布规律，且相较于经验公式法，更能充分地体现空间特性。之后利用一维仿真的结果进行标定，以保证仿真模型基本准确的前提下，将仿真结果作为活塞顶面的边界条件。
　　其次，利用三维仿真获得的顶面边界条件，结合试验数据、经验设置以及其他仿真结果，对活塞温度场和应力场的计算进行相关设置，从而在Abaqus软件中获得活塞温度场，以及活塞在热负荷、机械负荷和热机耦合负荷影响下的应力与应变分布规律。仿真结果显示，由于缸内湍流和进气冷却等原因，排气侧温度普遍高于进气侧，从而热应力较大，且在第二环内缘面上达到最大值。机械应力则由于存在与活塞销的接触，从而在活塞销座内侧上部出现了最大值。对于热机耦合状态下，活塞最大应力值出现在第二环内缘面，这是两种负荷产生的应力叠加的结果。活塞销座处由于刚销柔座的材料设定，两种应力有所抵消，从而应力相对变小。
　　最后，利用仿真获得的结果计算出活塞的疲劳寿命，结合加速试验相关理论，选取合适的加速模型，通过不同加速工况的仿真疲劳寿命在Matlab中进行拟合。通过对比仿真值与拟合值可以看出拟合效果良好，从而通过拟合曲线估算活塞在额定工况下的疲劳寿命。与仿真值进行比较，在热负荷、机械负荷和耦合负荷下，相对误差分别为4.11％，2.66％，7.91％，均相对较小，基本符合工程使用的要求，从而证明阿伦尼斯模型、逆幂律模型和广义艾林模型分别作为这三种负荷下加速模型的可行性。之后还讨论了当有实际故障数据时，需先分析其分布模型，从而获得对应的特征寿命，接着便可根据情况利用合适加速模型估计额定工况的寿命。综上，本文提出的利用三维CFD获取活塞顶面边界条件，结合加速试验理论预测活塞疲劳寿命的方式有着较高的准确度，可以在工程上运用于活塞可靠性的评估。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 活塞热机耦合研究现状

1．2．2 加速寿命试验研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 加速试验条件下燃烧仿真

2．1 机型简介和网格划分

2．2 物理模型选择

2．2．2 缸内燃烧模型

2．2．3 壁面交互模型

2．2．4 模型选择总结

2．3 各工况初始和边界条件的设定

2．3．1 初始条件的设定

2．3．2 边界条件设定

2．3．3 加速工况的确定

2．4 额定工况标定结果分析

2．5 各工况燃烧仿真结果分析

2．5．1 缸内温度场

2．5．2 缸内压力场

2．5．3 缸内流动场

2．6 本章小结

第三章 活塞热机耦合计算

3．1．1 活塞顶面的换热系数

3．1．2 活塞冷却油腔的换热系数

3．1．3 活塞各个侧面的换热系数

3．1．4 活塞内腔换热系数

3．2 活塞机械边界条件的确定

3．2．1 活塞承受的爆发压力

3．2．3 活塞侧推力

3．3 活塞网格划分

3．4 活塞有限元计算结果分析

3．4．1 活塞温度场分布

3．4．2 活塞热负荷分析

3．4．3 活塞机械负荷分析

3．4．4 活塞热机耦合负荷分析

3．5 本章小结

第四章 活塞可靠性分析

4．1．2 加速模型简介

4．2 活塞在不同载荷下加速模型讨论

4．2．1 活塞热负荷下加速模型分析

4．2．2 活塞机械负荷下加速模型分析

4．2．3 活塞热机耦合负荷下加速模型分析

4．3 基于实际故障数据的活塞可靠性分析

4．3．1 分布模型简介

4．3．2 分布模型的确定

4．3．3 分布模型的修正

4．4 本章小结

5．1 全文总结

5．2 不足与展望

参考文献

致谢