汽油机活塞热机耦合分析及其试验研究

【摘要】作为活塞式发动机工作环境最恶劣的关键零件，活塞的工作情况直接关系到内燃机的工作可靠性和使用耐久性，同时也关系到排放和经济性。发动机工作时，一方面受到高温燃气的作用，使活塞承受很高的温度，而且温度分布很不均匀将导致热变形和热应力的产生，另一方面在高压气体和往复惯性力的作用下，活塞产生机械应力和机械变形。因此，对活塞的温度场、热应力场以及热机耦合应力场进行分析，综合了解活塞的热负荷和综合应力分布情况，对于提出评并价改进措施，强化活塞具有重要意义。为研究活塞的热应力和热机耦合应力，了解其温度分布情况，评价活塞顶部阳极氧化层对活塞热负荷的影响，文章采用硬度塞法测温试验，并结合计算机仿真计算的方法进行研究。试验选用GCr15轴承钢作为硬度塞材料，通过测量不同回火温度下的回火硬度，得到硬度-回火温度（HV-T）曲线。在试验活塞上确定测量点并安装硬度塞，在发动机的额定工况进行试验。根据硬度塞HV-T曲线，由试验后的硬度塞硬度推算得到相应的温度，该温度即为活塞上被测点在额定工况下所达到的温度。本文借助Pro/E软件建立活塞组的三维模型，用Hypermesh创建网格模型，利用Abaqus给定活塞的热边界条件和力学边界条件，创建有限元模型和进行仿真计算，并根据试验结果对热学边界进行校验，得到能够准确描述活塞温度场的有限元模型。仿真计算得到了两种活塞的温度场、热应力场、热机耦合应力场。计算结果表明：仿真温度值与试验数据吻合较好，相对误差小于5%；活塞顶面的阳极氧化，使活塞的整体温度、热应力有较大的下降，热机耦合应力降幅较小。这说明活塞顶面阳极氧化对降低热负荷有积极作用。
【作者】张云飞；
【导师】杨靖；李睿；
【作者基本信息】湖南大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】热机耦合；硬度塞实验；温度场；阳极氧化；热应力；耦合应力；

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