铝基陶瓷纤维复合材料增强活塞销座的性能研究

摘要

近几年，随着柴油发动机不断的向大功率、高负荷方向发展，使发动机的最大爆发压力不断提高。作为承受载荷的主要部位——活塞销孔上侧面，容易出现疲劳开裂等故障现象，因此对活塞销座可靠性研究显得非常重要。在活塞销座处镶铜衬套的措施虽然解决了上述问题，但铜衬套与活塞本体是分离的两部分，在热负荷及机械载荷的作用下容易造成铜衬套脱落的风险，且铜衬套成本较高，占活塞整体成本的四分之一左右。
　　本文主要研究了铝基陶瓷纤维复合材料对于活塞销座的影响。在材料研究中心测量了活塞材料的性能，并通过对活塞温度场测试得到了活塞的热边界条件。然后运用正交试验表 L9(34)对销孔型线、活塞销与销孔的间隙以及增强体（铝基陶瓷纤维复合材料）的厚度这三个因素设计了9组试验，外加一组常规镶铜衬套的试验（10号）作为对比方案。然后利用 workbench对活塞进行了模拟分析得到正交试验的最优组合，然后对最优组合以及对比方案进行了疲劳分析，验证了含有增强体活塞的可靠性。
　　主要研究内容和结论如下：
　　（1）在材料研究中心测试了活塞材料性能、温度场。其中包括材料的抗拉强度、线膨胀系数等性能参数；并在额定工况下采用硬度塞法对活塞进行了温度场测试，得出了活塞不同部位的平均温度值。
　　（2）在 Ansys-workbench中施加了热边界条件并计算得到温度场。将实测得到的平均值与温度模拟值进行对比发现，偏差均在5%以内，这说明施加的热边界条件与真实边界条件具有较好的一致性，为后续的分析提供了良好的基础。
　　（3）对由正交表设计的含有铝基陶瓷纤维复合材料9组试验及对比试验进行了热负荷、机械负荷以及耦合分析。这9组试验的最大耦合变形相比10号试验有不同层度上的降低，其中6号方案变形量最小为317.98μm，比10号降低了3.6%这会对润滑油膜起到一定的保护作用。
　　（4）通过极差法得出了销孔型线为2号、间隙为0.015mm、增强体厚度为12mm的活塞销孔为最优组合方案（即 A2B3C3）。然后对最优组合进行了建模分析，发现其活塞销座耦合等效应力相比镶铜衬套方案降低了28.8%，且远低于铝基陶瓷纤维复合材料的应力极限，满足了活塞的结构强度需求；并对燃烧室喉口处进行耦合等效应力以及第一主应力进行模拟分析，结果表明，燃烧室喉口部位的应力远小于活塞基体材料的应力极限89MPa，故燃烧室喉口部位不会发生疲劳开裂。
　　（5）利用 Fatigue Tool模块对最优组合方案（即 A2B3C3）与10号镶铜衬套对比方案进行了疲劳寿命、损伤以及安全系数的分析计算。发现使用增强体的措施会使活塞的疲劳寿命降低了56.3%，但仍能满足发动机连续运转的最大要求和实际工程需要，不会发生疲劳失效，说明含有增强体的活塞是具有可靠性的。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3 课题研究的内容和方法

1.4 本章小结

第二章 活塞材料属性及温度场测试

2.1 铝基陶瓷纤维复合材料的制备

2.3 活塞的温度场分析

2.4本章小结

第三章 理论基础及活塞模型

3.1 有限元理论简介

3.2 有限元热分析理论

3.3正交表设计实验方案

3.4 活塞模型

3.5本章小结

第四章 活塞的有限元分析

4.1 活塞的热负荷分析

4.2 活塞的温度场计算分析

4.3 活塞的机械载荷分析

4.4 机械载荷作用下活塞的应力和变形分析

4.5活塞的耦合应力和变形分析

4.6 本章小结

第五章 活塞的疲劳寿命分析

5.1 疲劳理论基础

5.2 载荷谱的处理

5.3 材料特性曲线的获取

5.4 疲劳分析计算

5.5本章小结

第六章 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

在读期间公开发表的论文

致谢