活塞组多物理场耦合非线性问题及环组机油消耗改进设计研究

摘要

活塞组部件的设计对内燃机的动力性、经济性以及振动噪声、摩擦损失和排放性能都有着重要的影响。本文针对活塞组多物理场耦合非线性问题进行了深入细致的理论分析和试验研究，并结合企业工程问题，对一台车用柴油机活塞组进行了相应的改进设计和应用试验，达到了预期的研究目标。
　　论文可以概括为两大部分。第一部分是活塞组机械特性的研究。对活塞温度场、强度和高周疲劳问题进行了系统地研究。确定了活塞热边界的计算方法，通过活塞温度场试验数据对仿真模型进行了校核，建立了活塞三维热机耦合强度分析模型，分析了活塞在不同载荷作用下的应力状况和径向变形情况，对活塞高周疲劳进行了数值预测；对活塞二阶运动及其影响因素进行了系统地研究，研究了活塞对缸套的敲击过程和常用评价指标，分析了活塞组不同设计参数对活塞运动特性的影响；对活塞激励传递途径和发动机结构固有特性进行了系统地研究。创新设计了活塞组受力的传递路径试验，剖析了气体力激励和活塞激励的传递途径，提出了发动机子部件和整机结构固有特性的分析思路，进而分解研究了发动机各主要激励源对整机结构振动和辐射噪声的影响，为发动机低噪声设计提供了重要参考依据。
　　第二部分是活塞组的密封性能及其相关的机油消耗研究。首先是活塞环组的密封原理和活塞环动力学理论的研究，建立了环组密封特性和环组动力学数值分析模型，得到了环组总窜气量和各环表面的气体流量特性，并利用窜气量试验对分析结果进行了验证；采用称重法进行了机油消耗试验，得到了不同转速和负荷下总机油消耗和窜油量，研究了机油消耗随转速和负荷的变化规律；研究了活塞环组机油消耗的产生机理和相关理论，建立了活塞环组数值仿真分析模型，提出了活塞环组机油消耗计算模型的标定方法，并根据此方法利用试验数据对仿真模型进行了标定，最后通过标定后的模型对各个工况下的机油消耗情况进行了预测和影响因素评估；结合CAE仿真分析结果，对活塞各环岸尺寸和裙部型线进行了调整，并对第一道活塞环进行了改进设计，以改善活塞的二阶运动和降低该机型机油消耗；进行了多台样机的机油消耗对比试验，结果表明，改进后发动机的机油消耗特性明显改善，达到了预期的效果。同时表明，试验结果与CAE预测趋势是一致的。
　　本文拓展了内燃机活塞组多物理场耦合非线性问题的理论研究，补充和发展了数字化设计在活塞组结构设计中的应用技术，取得了一系列具有工程实用价值的新结论和成果，为活塞组低噪声、低摩擦、低机油消耗设计提供了重要参考依据。