柴油机活塞顶部结构对其温度场及强度的影响研究

摘要

柴油机技术的不断发展,是建立在柴油机上重要零部件性能的不断提升的基础上的,随着柴油机性能的提高、功率的增大和转速的增加,柴油机上活塞所承受的温度及热应力不断的增加。如直喷式柴油机活塞,它的在越来越恶劣的环境下工作,因此应该对柴油机活塞进行一个合理的设计,以降低这些问题。而活塞的结构特征能够对活塞的温度场和热应力分布有一个直接的影响,因此,就有必要对活塞的结构特征和性能特征作出相应的预测和评价。组成柴油机的几个部件中,活塞是其最重要的一个组成部件,它在高温高压的工作环境下连续承受周期性变化的载荷,它拥有柴油机心脏之称,特别是它在坦克、轮船和重型车上的应用,这些都对柴油机活塞的性能要求特别高,它已经成为制约柴油机发展的一个主要的突出问题。
　　本课题是主要针对某一柴油机活塞顶部结构进行多种设计,运用有限元技术,先模拟出活塞上燃烧室的温度及压力,然后以这些作为条件加载到活塞中,再对活塞的温度场、热结构耦合及疲劳寿命进行分析,来确定活塞中热应力和变形较大的区域和最危险的位置,对比这些结果,得出哪一种设计结构是最优的,这些对提高和改进活塞的性能有重大的意义。
　　主要内容包括:
　　1.首先运用Pro/Engineer对活塞顶部结构、缸壁及缸盖共同组成的部分(即燃烧室)进行三维建模,再通过ANSYS Workbench对其划分网格,最后通过ANSYS Workbench中的CFX模块对缸内进行速度场、压力场及温度场分析,得出结果,这些结果主要是为了作为初始条件加载到活塞上。
　　2.采用Pro/Engineer对活塞进行三维建模,再将模型导入到ANSYS Workbench中对其划分网格,再导入1上面的缸内温度结果,对其进行温度场分析,得出活塞的温度场分布,这些温度场分布对分析活塞热结构耦合及疲劳寿命分析提供了基础。
　　3.通过导入1、2的结果,运用有限元技术对活塞进行热结构相关影响的分析,可以确定活塞的相关力学方面原因,得出应力和变形特别严重部位,来确定最危险的位置,对比这些结果,得出哪一种设计结构是最优的,为活塞的设计改进提供一定的参考。

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引言

1绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2课题研究的现状

1.3柴油机活塞顶部结构的作用及其上燃烧室的分类

1.4 课题研究的内容

1.5 本章小结

2柴油机流体及传热学理论

2.1燃烧室流体力学理论基础

2.2活塞的传热理论基础

2.3柴油机活塞顶部结构图

2.4本章小结

3活塞顶部燃烧室的流场分析

3.1气体的稳定流动

3.2燃烧室的有限元模型

3.3边界条件的确定

3.4流场的结果分析

3.5本章小结

4活塞的温度场计算

4.1温度场有限元分析

4.2活塞有限元模型划分

4.3活塞边界条件的设定

4.4活塞的温度场计算

4.5本章小结

5 活塞强度计算分析

5.1 弹性理论基础

5.2活塞的约束及加载

5.3活塞热结构耦合计算

5.4活塞的热变形

5.5本章小结

6活塞的热疲劳分析

6.1柴油机活塞的疲劳寿命概论

6.2疲劳寿命S—N曲线设置

6.3活塞的热疲劳寿命计算

6.4本章小结

结论

参考文献

在学期间研究成果

致谢