（机械制造及其自动化专业论文）梯度热障涂层活塞的稳态热分析研究.pdf

梯度热障涂层活塞的稳态热分析研究摘要功能梯度材料活塞是一种新型活塞。从“低散热发动机 角度来讲，这种梯度热障涂层活塞可以提高活塞顶部的温度，能够起到很好的隔热作用。通常由活塞基体、功能梯度过渡层及陶瓷隔热层构成。陶瓷层可以起到很好的隔热作用，功能梯度层可以避免由于陶瓷和基体金属基体合金直接相连接而造成的材料线膨胀系数不匹配而产生的热应力，合金基体金属可以承受高压燃气产生的高压变形。这种活塞既保持了陶瓷的隔热性能又保持了基体金属的承受变形的优良性能，所以具有很好的应用前景。本文以z r 0 2 陶瓷、硅铝合金为活塞基体为研究对象。首先在三维建模软件p r o e 中建立功能梯度材料活塞模型，通过曲轴转角燃气压力实验，得到一个周期的燃气压力，然后通过经验公式计算瞬时压力和瞬时温度。以计算换热系数，并求取平均值，以算得结果为第三类边界条件，采用a n s y s 对功梯度材料活塞进行了有限元分析。将成指数分布的连续变化的梯度层，采用离散化的方法，均匀地离散为六层，在离散过程中选用了不同的梯度分布指数。然后，对不同分布指数的功能梯度圆柱( 简化为活塞的头部) 、硅铝合金圆柱和单一陶瓷圆柱进行了温度场和热应力场的分析。在此基础上，对整个不同分布指数的功能梯度材料活塞、硅铝合金活塞和单一陶瓷活塞进行了温度场和热应力场的分析。结果表明：功能梯度过渡层可以明显改变活塞温度分布，缓和由于热膨胀系数不匹配，在陶瓷增强层与活塞本体交界处产生的热应力，并通过对比分析不同分布指数的功能梯度圆柱和活塞的温度场和热应力场。在综合考虑隔热效果好和梯度层与基体金属结合面处的热应力小两方面因素，得出梯度分布指数p = 0 6 的优化结果，为梯度热障涂层活塞地制备提供了理论分析。关键词：有限元，功能梯度材料，热障涂层，活塞，热分析i i is t e a d y - s t a t et h e r m a la n a l y s i so ff u n c t i o n a lg r a d i e n tm a t e r i a l sa st h e r m a lb a r r i e rc o a t i n go fe n g i n ep i s t o na b s t r a c tb a s e do nt h ed e s i g np r i n c i p l eo fl o wi n j e c t i o ne n g i n e ，t h ep i s t o nw i t hf u n c t i o n a l 鲥i e n tt h e r m a lb a r r i e rc o a t i n gc a ni n c r e a s et h et e m p e r a t u r ea tp i s t o nt o p ，a n dh a sag o o dh e a ti n s u l a t i o ne f f e c t t i l i sk i n do fp i s t o ni sm a d ef r o ms i a 1a l l o y , f u n c t i o n a lg r a d i e n tt r a n s i t i o nl a y e r sa n dc e r a m i ch e a ti n s u l a t i o nl a y e r 1 1 1 ec e r a m i cl a y e rh a sag o o dh e a ti n s u l a t i o ne f f e c t t h ef u n c t i o n a lg r a d i e n tt r a n s i t i o nc o a t i n g sw i t ha 伊a d c dc o m p o s i t i o na r ed e s i g n e dt or e d u c et h e r m a ls t r e s sr e s u l t e df r o mt h em i s m a t c ho ft h e r m a le x p a n s i o np e r f o r m a n c e sb e t w e e nc e r a m i c sa n ds u b s t r a t es i - a 1a l l o y ，a n dt h es i - a 1a l l o yc a ne n d u r et h ed e f o r m a t i o nf r o mt h eh i g hp r e s s u r eb u r n i n gg a s i nt h i st h e s i s ，z r o zc e r a m i ca n ds i - a 1a l l o yp i s t o nw e r ef i r s t l yc h o s e nt oi n v e s t i g a t e a3 一dm o d e lf o rt h ef u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l sp i s t o nw a se s t a b l i s h e dw i t hp r o es o f t w a r e i tg a i n e do n ec y c l ep r e s s u r eo ft h eb u r n i n g - g a st h r o u g ht h ee x p e r i m e n to fp r e s s u r e - - c o m e rd i a g r a m s b a s e do nt h ee x p e r i e n t i a lf o r m u l a ，t h ei n s t a n t a n e o u sp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r ew e r ec a l c u l a t e da n dt h e nt h ei n s t a n t a n e o u se x c h a n g ec o e f f i c i e n tw a so b t a i n e d t h u s ，t h ea v e r a g ee x c h a n g ec o e f f i c i e n tc a nb et h o u g h ta st h et h i r db o u n d a r yc o n d i t i o n si nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fp i s t o n u s i n ga n s y ss o f t w a r et h ep i s t o nw i t hf u n c t i o n a lg r a d i e n tm a t e r i a l sw a sa n a l y z e d b e f o r ea n a l y z e dt h em o d e l ，t h ec o n t i n u o u sg r a d i e n tl a y e r sw i t hi n d e xd i s t r i b u t i o nw e r ed i v i d e di n t os i xl a y e r su s i n gd i s p e r s i o nm e t h o d d u r i n gt h ed i s p e r s i o np r o c e s s ，i ts e l e c t e dd i f f e r e n tg r a d i e n td i s t r i b u t i o ni n d e x i tw a st h e na n a l y z e dt h et e m p e r a t u r ea n dt h et h e r m a ls t r e s so ff u n c t i o n a lg r a d i e n tc y l i n d e rw i t hd i f f e r e n td i s t r i b u t i o ni n d e x ( s i m p l i f i e da st h eh e a do fp i s t o n ) ，p u r ec e r a m i cc y l i n d e ra n ds i - a 1a l l o yc y l i n d e r f i n a l l y ，i tw a sa l s oa n a l y z e dt h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h et h e r m a ls t r e s sf i e l do ft h ef u n c t i o n a lg r a d i e n tp i s t o nw i t hd i f f e r e n td i s t r i b u t i o ni n d e x ，p u r ec e r a m i cp i s t o na n ds i a 1a l l o yp i s t o n 1 1 1 er e s u l t si n d i c a t e dt h a tu s i n gg r a d i e n tt r a n s i t i o nl a y e r sc o u l do b v i o u s l yc h a n g et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ep i s t o na n dr e l a xt h es t r e s sa tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h eg r a d i e n tl a y e ra n dt h ea l s ia l l o yp i s t o n b ya n a l y z i n gt h et e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s so f b o t hc y l i n d e ra n dp i s t o nw i t hd i f f e r e n tg r a d i e n ti n d e x e s ，i tc a nb eg a i n e dt h eo p t i m a lg r a d i e n ti n d e xp = 0 6 ，w h i c hi sb a s e do nt h ei n s u l a t i o ne f f e c ta n dt h e r m a ls t r e s sb e t w e e nt h eg r a d i e n tl a y e ra n ds i - a 1a l l o y k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ，f u n c t i o n a lg r a d i e n tm a t e r i a l s ，t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g ，p i s t o n ，s t e a d y - s t a t et h e r m a la n a l y s i si v插图清单1 1 陶瓷金属热障涂层概念的形成51 2 三维耦合网格划分模型82 1 三种基本的传热方式1 02 2 温度梯度和热流方向的传递1 12 3 微元体导热分析132 4 导热微元体分析1 53 1 功能梯度活塞的平面图2 03 2 活塞和梯度层的模型2 13 3 功能梯度活塞的模型2 13 4 陶瓷金属梯度结构示意图2 64 1 陶瓷金属梯度圆柱的网格划分3 04 2 施加边界条件后的模型3 l4 3 三种圆柱的温度分布云图3 24 4 陶瓷金属梯度和陶瓷金属非梯度圆柱温度分布曲线3 34 5 三种圆柱的等值热应力分布云图3 54 6 不同指数的陶瓷金属梯度圆柱的温度场分布云图3 64 7 不同指数的陶瓷金属梯度圆柱的等值热应力分布云图3 74 8结合面处的等值热应力分布云图3 84 9 不同层数的陶瓷金属梯度圆柱温度分布云图3 94 1 0 不同指数的陶瓷金属梯度圆柱等值热应力分布云图3 95 1a n s a d m i n1 0 0 对话框4 l5 2p r o ei n s t a l l a t i o ni n f o r m a t i o n 对话框4 35 3p r o e 下的a n s y s 菜单4 35 4活塞导入到有限元中的模型4 55 5陶瓷金属功能梯度活塞的网格划分结果4 55 - 6施加载荷后的图形4 95 7不同指数的陶瓷金属梯度活塞的温度场分布云图5 05 8不同指数的陶瓷金属梯度活塞的等值热应力分布云图5 25 - 9p = 0 4 和陶瓷金属非梯度活塞的结合面处的等值热应力分布云图5 4v i i i表格清单表3 - 1 燃气一个循环周期的压力分布2 3表3 2 活塞的平均传热系数与平均温度分布2 5表3 3 陶瓷颗粒体积百分比( f ( x ) ) 分布2 6表3 4 不同指数所对应的梯度层的材料性能2 8表4 1 活塞头部的边界条件3 1i x独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金月巴王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。糊姗躲獭签字日期：婚学位论文版权使用授权书相“日i本学位论文作者完全了解金日巴工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目旦工些态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：形眷蚴导师签名：移讲t 召爿即习签字日期：沙髫斗月磊学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：签字日期：r 年缈月形e l电话：邮编：致谢在此论文完成之际，将近三年的硕士研究生生活即将结束。在这里，我首先感谢我的导师一胡献国教授，所有的研究工作都是在胡老师的精心指导下完成，在研究工作过程中都倾注了胡老师大量的时间和精力。胡老师严谨、慎重、务实的治学态度、渊博的学术、敏锐的洞察力、孜孜不倦的学习态度、对工作的极度热情、使我肃然起敬；还有胡老师对生活的态度，他教导我们“我搞科研，我快乐 胡老师的这种对“生活 与“工作 的态度同时也感染了我，使我懂得如何处理工作与生活之间的关系。无论是在学习上还是在生活上，胡老师都给予了我极大的关怀与鼓舞，可谓我人生中最好的良师益友。在课题研究和论文撰写过程中，还得到了冯忆艰老师的热情帮助与亲切指导，冯老师给予了我许多细致的指导；冯老师清楚的讲解，使我在遇到麻烦时，都能够迎刃而解，对我的帮助使我是用语言无法表达的，在这里，我对冯老师表示深深的谢意。感谢刘祥宽、师姐徐鸿雁、王永国等在我学习软件过程中，他们都给了我许多中肯的意见和建议；感谢王庆生老师，给予了我许多课题指导和帮助；还有高东海，宋平、于军涛、徐玉福老师等，感谢内燃机实验室王振华，给予了我工作上的关心都让我无法忘怀，在这里对他们表示真挚的谢意。感谢我的父母及家人，是你们用博大的胸怀和深沉的爱包容了我的一切优点和缺点，使我拥有了属于自己的空间。你们朴实、善良、正直的品质深深的影响了我，每一句叮咛，每一句告诫，都像小溪的水般浸润着我的心田! 在这里我仅此篇论文献给你们，愿你们永远幸福快乐，永远健康的陪伴在我身边。最后，感谢合肥工业大学! 在这里，使我认识了来自五湖四海的同学并与他们结下了深厚的友谊；在这里使我播下了希望的种子，也收获了成功的喜悦。v作者：杜双松2 0 0 8 年4 月第一章概述1 1热障机理及热障材料在发动机中的应用根据热力学定律：“在一个高温热源和一个低温热源之间工作的介质，其热源温差越大则热机效率越高。对于发动机来讲，工作温度越高其热机效率越高【l 】。传统的发动机中，普通的金属材料不能承受太高的温度，必须采用冷却的方式来保护发动机。由此附加了冷却系统而导致发动机的体积、重量、耗油量、排放量的增加和热机效率的下降。如果在燃烧室采用热障涂层材料( 陶瓷材料)与金属相复合来处理受热体表面，则可起到热障的作用。陶瓷耐高温，可用来承受热负荷。金属韧性好，可用来分担机械负荷，因而满足燃烧室同时承受高的热负荷和强大的机械负荷的要求，并降低了冷却带来的热损失，减小或取消冷却系统，从而发动机的体积和重量得到减小；又因采用了热障涂层材料，可使发动机的排气温度升高，通过增压器动力涡轮吸收这部分能量，使其转变为有用功，从而提高热机效率。陶瓷材料应用于柴油机最初由美国能源部与陆军机动车坦克指挥部发起，由c u m m i n s 公司1 9 7 4 年开始论证与研究，首先实现绝热涡轮复合，1 9 7 9 1 9 8 1年制成了涡轮增压发动机，省油15 9 ；其次，l9 8 2 年改进后的发动机比原发动机体积减少了o 5 m 3 ，重量减轻了1 2 6 k g ，减少了3 6 1 个零部件，整个燃烧室都有氧化铬基的陶瓷材料进行了喷涂覆盖。包括：活塞项、缸套、进排气道。道路试验4 8 2 8 k m 无故障，测功机上通过2 5 0 小时的耐久性试验，其中，1 3 时间是在全负荷工况下进行的。但其发动机并没有采用涡轮复合系统，故热机效率没有得到提高。1 9 8 3 年以来，c u m m i n s 公司致力于轻型坦克用4 5 k w 、2 0 0 0 r m i n 、六缸v - 9 0 3 低散热柴油机的研制。通过燃烧室表面喷涂陶瓷材料，采用高喷射压力的供油系统，改善燃烧过程，使原机功率提高了2 0 ，燃油消耗率下降了1 3 4 ，散热率下降了3 0 4 ，达到了散热率为6 6 k c a l k wm i n 的最佳指标。而后c u m m i n s 公司已从a a 7 7 5 绝热涡流发动机发展到军用1 11 9 k w的绝热发动机作为实战坦克的侯选发动机【2 】。日本将陶瓷材料应用于柴油机的研究较美国晚些，但日本工业基础雄厚，发展也快，而且日本在陶瓷材料方面领先于美国，日本通产省1 9 8 1 年制定的“下一代产业基础技术开发进度”到9 0 年代已利用陶瓷生产复杂零件，争取在汽车发动机中采用陶瓷绝热技术。这充分体现了日本的实用化政策。小松制作于1 9 7 6 1 9 7 8 年由通产省提供资金，独立研制了绝热涡轮复合柴油机，其发动机为六缸四冲程水冷增压型。缸径巾1 0 5 m m 、冲程1 2 5 m m 。为了取消冷却系统改善经济性，主要采用z r 0 2 涂层，厚度o 5 1 0 m m 。发动机进行了5 0 0 小时的台架试验( 没有进行道路试验) 。热效率从4 2 提高到4 8 ，散热量的要求降低了4 0 ，其余6 0 靠机油冷却器散热。柴油机的燃油燃烧所产生的能量大约可分成三部分，其中一部分用来做功，一部分被排气带走，一部分被冷却水带走。追溯当初，人们在柴油机中使用陶瓷材料，是为了防止热量被冷却水带走而取消冷却水，想让这部分能量变成为有用功由曲轴输出。事实上，原来被冷却水带走的那部分能量并没有多少转换为有用功，而是转为排气能量( 由于排温升高) 散走了。于是，人们没法利用排气能量。除了采用废气涡轮增压器利用一部分能量之外，还用动力涡轮将部分排气功耦合输出到曲轴。也有人提出用郎肯后循环利用部分排气能量。这些方案都因结构复杂而难以实用化。因此，人们当初给这种发动机所起的理想名称一一绝热发动机( a d i a b a t i ce n g i n e ) 也就慢慢的在文献中变为隔热发动机( h e a ti n s u l a t i n ge n g i n e ) 、低排热发动机( l o wh e a tr e j e c t i o ne n g i n e ) 和无冷发动机( u n c o o l e de n g i n e ) 。或者不提“热 也不提“冷 ，干脆以所用材料命名，成为陶瓷发动机( c e r a m i ce n g i n e ) ，所以通常所说的“绝热发动机 或“低散热发动机都是指采用隔热材料之形成热障层的低传热、低热损耗的发动机。绝热发动机从形式上可分为两大类：即绝热燃烧式发动机和绝热涡流复合式发动机，后者是前者的再发展产物。绝热发动机研究的主导思想受两种观点的支配：一种观点：1 以军用动力为主军用动力：降低油耗可使战斗车辆在不增加贮油的情况下，加大行程及作战时间，结构简化使维修量减少。即使动力装置的体积和重量减小。主要以美国c u m m i n s 公司为首，其研制的主要目标：降低耗油量，简化柴油机结构，发展大马力的绝热发动机。2 以一般民用动力为主民用绝热发动机的实用化研究是把降低燃油耗放在首位。要求成本低，寿命长。一般研究都从小功率的柴油机开始。另一种观点：采用陶瓷材料零件代替发动机上那些高热、高摩擦的零件，如：电热塞、挺杆、凸轮轴、活塞销等。这种研究的成功将节约大量昂贵的贵金属材料，而陶瓷的相对价格则是较低的。我国将“高性能陶瓷及其应用作为国家“七五”和“八五 的攻关项目，并将柴油机中承受高温高压的燃烧室部件作为高性能陶瓷中的高温结构陶瓷的应用对象。在“七五 期间，以研制绝热复合发动机为目标。而在“八五期间，以研制沙漠特殊环境下的2 6 种耐热耐磨陶瓷材料发动机车辆为目标。“九五 攻关项目则以陶瓷材料( 包括陶瓷涂层) 在汽车发动机中应用为目标。从我国的国家攻关计划的目标来看，陶瓷发动机的目标已从理想的绝热和节能，转向特殊用途的耐热耐磨，进而转向一般用途的实用化零件产品。这就对产品2的可靠性和成本的经济性提出了较高的要求。因此，从国际、国内的发展情况来看，柴油机燃烧室表面的陶瓷隔热涂层具有发展潜力。热障涂层( t b c s ：t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g s ) 在燃气轮机中的应用已有3 0年的历史。燃气轮机叶片喷涂热障涂层，主要是为了耐热防腐。燃气轮机中的工作环境是恒定的高温，整体温度水平比柴油机高，故高温腐蚀是一个主要问题。而柴油机中遇到的是瞬态的温度波，整体温度水平较低，腐蚀不是主要问题，而高频热疲劳是主要问题。因此，柴油机中的热障涂层的破坏机理及优化设计准则与燃气轮机有不同之处。为了使陶瓷涂层与金属基体更好的结合，通常加以底层或过渡层。为了进一步提高结合强度，采用功能梯度材料。十五期间，我国政府也把f g m 的研究列入国家高新技术的“8 6 3 计划【3 】，对t i c n i 3 a 1 系梯度材料进行了热应力的计算，并在分析的基础上，制出了该体系的功能梯度材料。1 2 功能梯度材料新概念的发展功能梯度材料 4 】( f g m ：f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l ) 是1 9 8 7 年日本科技厅航空宇宙技术研究所新野正之( m n i i n o ) ，东北大学金属材料研究所平井敏雄( t h i r a i ) 和东北大学工学部材料加工学科渡边龙三( r w a t a n b e ) 等提出的。梯度的数学含义是空间变化率，理论上指随空间连续变化，实际上可指随空间阶梯变化。梯度的物理含义是自然驱动力，温度梯度导致热量扩散，浓度梯度导致质量扩散。梯度的现象早已经存在，自然界竹子和人工过程产生的渗氮表面硬化层都具有梯度结构。这里的梯度是材料设计的新概念。功能梯度材料是通过组分或结构的梯度变化，实现材料物性的梯度变化，进一步实现材料功能( 即指机械、热、电、核、光、化学或生物等方面的功能) 的梯度变化。从机械功能角度来讲，功能梯度材料能够通过以下几种方式来改善一个构件的热机械特征：热应力值可减至最少，而且适宜的控制热应力达到峰值的临界位置；对于一个给定的热机械载荷作用，推迟塑性屈服和失效的发生；抑制自由世界与界面交接处严重的应力集中和奇异性；与突变的界面相比，可以通过在成分中引入连续的或逐级的梯度来提高不同固体( 如金属和陶瓷) 之间的界面结合强度；可以通过对界面的力学性能梯度进行调整来降低裂纹沿着或穿过一个界面扩展的驱动力；通过逐次的或连续的梯度可以方便的在延性基底上沉积厚的脆性涂层( 厚度一般大于l m m ) ；通过调整表面层成分中的梯度，可消除表面锐利压痕根部的奇异场，或改变压痕周围的塑性变形特征。功能梯度材料的概念的提出，得到日本政府的高度重视和支持。日本科技厅1 9 8 7 年批准了第一个为期五年的关于f g m s 的研究项目一一热应力缓和型功能材料的开发基础研究( 1 9 8 7 1 9 9 1 ) ，其目标是解决航天飞机中受2 0 0 0 k 高温和1 0 0 0 k 温差的机体如发动机耐热部件的材料问题。该项目分两个阶段进行，第一阶段( 1 9 8 7 1 9 8 9 ) 完成直径为由3 0 m m ，宽度为l 1 0 m m 的小试件；第二阶段( 1 9 9 0 1 9 9 1 ) 完成边长为3 0 0 m m 的同样厚度的方形大试件。该项目完成后，日本科技厅又于19 9 3 年批准了第二个为期五年的关于f g m s 的研究项目一一梯度结构形式的能量转换材料开发研( 1 9 9 3 1 9 9 7 ) ，其目标是开发一种高效利用太阳能的热电热离子混合直接能量转化系统。该项目是为了满足2 l 世纪对清洁能源和地球资源有效利用的要求。该项目结合了日本3 0 余家企业、政府、学术组织的力量，首先研究各种能量转化形式及其元件；其次研究各种能量转化元件的连接技术，其间主要注意降低能量随时和缓和热应力1 5 , 6 j 。由单一组分的材料构成功能梯度材料时，主要是通过结构( 如疏松程度或空隙率) 的梯度变化来实现物性密度、导热系数和功能( 隔热性能甚至断裂力学性能) 的梯度变化。而由两种以上材料组成功能梯度材料时，可以通过组分的梯度变化来实现物性和功能的梯度变化。在发动机燃烧室受热零件的金属表面喷涂陶瓷隔热涂层时，使用的就是陶瓷和金属两种组分的混合粉末。随着喷涂过程的进行，金属粉末的比例由1 0 0 逐步减少至0 ，而陶瓷粉末的比例则由0 逐渐增加至l o o 。这是一种具有梯度结构的陶瓷金属复合热障涂层，也可以说是一种直接制备在零件基体表面上的功能梯度材料。而且由于梯度结构实现了金属到陶瓷的连续过渡，从而消除了两者热膨胀系数不匹配造成的过大的热应力。因此，这是一种热应力缓和型的功能梯度材料或称为陶瓷金属梯度热障涂层。陶瓷金属复合结构包括三个层次的含义：微观层次的陶瓷金属复合结构是指陶瓷基复合材料或金属基复合材料；宏观层次的陶瓷金属复合结构是指陶瓷金属组合零件的结构；第三层次是介于微观与宏观之间的陶瓷金属复合结构。前述的热障涂层( t b c s ) 和功能梯度材料( f g m s ) 是这个层次意义上的陶瓷金属复合结构，其组合如图1 1 所示：4图1 1 陶瓷金属热障涂层概念的形成热障涂层强调陶瓷的隔热性能，可以是单层结构，也可以上包括过渡层的多层结构。而功能梯度材料则强调陶瓷与金属的梯度变化，从而实现其热学、力学、电学等性能的梯度变化。热障涂层与功能梯度材料这两种材料设计概念的结合，从不同的角度看，将产生两种不同提法的陶瓷金属复合结构。从热障涂层的角度看，它们的结合将产生一种陶瓷金属梯度热障涂层。而从功能梯度的角度来看，它们的结合将产生一种热应力缓和型功能梯度材料。实际上，这两种提法的陶瓷金属复合结构在本质上是相同的。其本质是，通过陶瓷和金属的组分与结构的梯度变化，实现具有较强隔热能力又能大幅度缓和由于陶瓷与金属间的热膨胀系数的差别所造成的热应力的陶瓷金属复合涂层结构。1 3 陶瓷金属功能梯度材料在内燃机活塞的研究活塞作为内燃机运动的主要运动部件，将随着工作条件的要求而越来越复杂，其机械负荷、热负荷不断加大而且相互叠加，出现破坏的几率大大增加，严重的影响了其性能。出现破损的形式大致有两种：1 静态的热应力和动态的热应力的叠加，导致活塞顶断裂。2 油料燃烧不完全，活塞项积炭严重，导致活塞项热负荷不均匀，产生局部高温，加上活塞金属材料又不耐高温的缺陷，造成活塞项燃熔形成熔洞。活塞的这两种破损严重地影响了内燃机整机可靠性的提高。这就需要对活塞的材料及结构进行进一步的探讨和设计，使之适应现代化内燃机发展的要求。针对活塞的破损机理，将活塞头部进行“热障化 处理，即可解决由于工作环境的恶劣及材料的缺陷给活塞带来的破损的问题，从而在一定程度上提高活塞的寿命及内燃机的整机可靠性。从理论研究和国外的科技成果来看，陶瓷金属功能梯度材料活塞具有深刻的研究价值。1 4 活塞的有限元分析研究5近年来，在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元法( f e m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 贝0 为解决复杂的内燃机各零部件的分析计算问题提供了有效的途径，它具有试验方法和理论解析方法无可比拟的优势，己经成为内燃机性能研究的重要手段。在内燃机产品设计实践中，有限元分析软件与c a d 系统的集成应用，增加了内燃机产品的设计功能，缩短了内燃机产品设计和分析的循环周期，降低了内燃机产品成本，提高了内燃机产品的可靠性；同时在内燃机新产品制造前，通过模拟各种试验方案，预先发现潜在的问题，从而减少试验时间和经费；使得现代内燃机设计水平发生了质的飞跃。如今，有限元分析方法在活塞开发设计中的广泛应用，已大大提高了活塞的可靠性，缩短了设计周期，为现代高速内燃机的进一步强化奠定了基础。活塞作为内燃机的关键零部件之一，它的工作情况直接关系到高速内燃机的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能。活塞的工作环境十分严酷，一方面，要承受高压燃气爆发压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性的机械负荷作用，造成活塞不均匀的机械应力和变形，严重时还会使活塞销座从内侧开始纵向开裂，第一环岸断裂等；另一方面，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，使活塞项部乃至整个活塞的温度都很高，而且分布很不均匀，各部位温度梯度大，造成活塞很大的热应力和热变形，严重时还会导致活塞顶面开裂，活塞与缸套间的正常间隙遭到破坏，甚至活塞拉缸、抱死等。因此，在设计阶段对活塞进行应力场、温度场和传热分析以及热负荷和机械负荷的耦合分析，了解活塞的热负荷状态和综合应力分布情况，进而对活塞进行改进，降低热负荷，改善热应力分布，提高其工作可靠性和改善排放具有重要意义。因此，对内燃机活塞进行有限元分析研究具有很重要的指导意义，它可以为内燃机设计人员，提供比较详细的活塞温度场的分布，活塞的传热，以及热负荷和机械负荷共同作用下的综合应力分布和变形情况，从而为设计现代高转速、大功率、低排放、低噪声的内燃机提供必要的参考。同时，通过对一种机型的计算分析，过渡到其他机型的计算分析逐步建立和完善活塞有限元分析与研究的专家知识库，最终实现活塞参数化设计，为工程设计开发人员的开发设计提供便利的手段与方法。对于活塞的有限元分析研究，国外早已开展了许多卓有成效的研究工作，并提出了一些新的研究手段和方法，但国内的科研机构和企业对这些项目的研究起步较晚，资金投入和重视程度也不足，相比国外还有一定的差距。a 活塞有限元模型有限元网格模型的建立是采用有限元分析方法求解问题的先决条件，在整个求解过程中，它通常具有最大的工作量。从某种意义上说，有限元网格模型建立的合理性直接影响计算结果的精度。目前，内燃机活塞有限元网格模型的6生成方式主要有如下三种【7 1 ：( 1 ) 取部分活塞建立对称网格模型过去由于计算机硬件较差，运算速度较慢，而且有限元分析软件的解题能力较弱，因此在对活塞进行有限元分析时，通常将活塞的几何模型进行简化处理。根据活塞实际形状在局部地方对其进行简化，将活塞通过轴线和销座孔中心线平面以及通过轴线和垂直于销座孔中心线平面都视为对称，忽略椭圆度。这样只需取1 4 或1 2 活塞建立有限元网格模型，大大减少了分析计算量。例如吴昌华 8 】取1 4 活塞，用4 0 9 个节点、2 2 8 个8 节点体单元进行了应力和变形分析；何秉初取1 2 活塞，用2 7 3 5 节点、3 8 6 个2 0 节点六面体单元进行了应力场分析p 】。严格地说，活塞的几何形状是不对称的，但对没有冷却油道、燃烧室没有偏置的中小功率发动机活塞的温度场计算来说，由于活塞实际温度分布在周向的差异较小，可以忽略，而且对于这一类型活塞的传热主要靠活塞环，从活塞销座传走的热量有限，因此忽略活塞销座对传热的影响所带来的误差不大。( 2 ) 取活塞整体建立非对称网格模型实际上，由于双气门发动机活塞燃烧室的偏置、内腔形状复杂、避阀坑和活塞销座的存在，整个活塞不具有轴对称性质。因此，为了使计算结果较为可靠，采用非对称结构，取整个活塞建立网格模型。伶景伟 1o 】等采用了3 1 8 6 个节点、2 2 1 0 个8 节点六面体等单元、9 5 5 1 个自由度活塞整体网格模型对缩口四角( )型活塞进行了应力和应变有限元分析，得到了较为理想的结果。( 3 ) 取活塞组( 即活塞、活塞环、气缸套和活塞销的组合) 建立三维耦合网格模型上述对称网格模型和非对称网格模型都只针对单个活塞而言，都没有考虑活塞与活塞环之间、活塞与润滑油膜之间以及润滑油膜与气缸套之间的相互影响，模型相互间的边界条件很难确定，只能以假定的燃烧室壁面平均温度为边界条件，给分析计算带来一定的误差。近年来，随着计算机硬件的迅猛发展，有限元分析软件功能的不断完善，对活塞、活塞环、气缸套和活塞销进行耦合模型分析已逐步实现。活塞组耦合网格模型分析研究在国外内燃机的课题研究中尤为突出。在研究过程中，他们普遍采用c f d ( 计算流体力学) 和f e a ( 有限元分析) 耦合的方法进行活塞组等内燃机部件的传热研究。通过c f d 计算得到活塞项工质的温度和换热系数以及缸套冷却水的温度和换热系数，作为f e a 第三类边界条件。国内也开始尝试对活塞组耦合模型的计算分析，但尚未广泛应用 1 l , 1 2 】。冯立岩等【1 3 】在对6 e 1 6 0 柴油机活塞组进行有限元耦合分析时，取活塞组1 4 实体模型，采用四面体单元划分，共得至u 3 2 5 9 3 个单元，1 4 9 4 1 个节点。其活塞组及缸套的三维网格模型如图1 2 所示。7图1 2 二二维耦合网格划分模型 13 +b 边界条件的确定在有限元分析方法中，边界条件的确定是最重要的，也是最难的。从数学的角度来讲，问题的边界条件属于解的唯一性条件，对它的模拟合理与否直接影响到解的合理性。目前对边界条件的确定方法大致可以分为解析法、试验法和试算法三种类型。解析法具有方便、准确的优点，历来受到人们的重视，而且边界条件的解析法也一直是人们努力的方向。试验法对于难以用解析法确定边界条件的情况时，它是一条行之有效的方法；而且试验测定的值通常比解析确定的值更能反映实际工作状态。我们还可以结合数学回归等方法，根据试验值建立近似计算的经验公式，为边界条件的解析法奠定基础。对于既难以解析确定，又难以试验测定的边界条件，可以先作假设再通过以某一量值为标准进行试算，使结果与该标准值吻合，从而确定出此边界条件【l4 | 。活塞的传热是一个复杂的过程，热边界条件很难精确确定，通常活塞热边界条件有两种确定方法 i5 ：一种是第一类边界条件，即已知活塞边界上的温度；另一种是第三类边界条件，即已知活塞与其他介质的热交换系数。由于测定活塞表面全部节点温度很不方便，因此在工程计算中较多地采用第三类边界条件，但对于第三类边界条件的边界换热系数q 和环境温度t 也很难确定，因此通常采用试算法，先由经验公式估算确定活塞各边界与燃气、气缸套、冷却油腔内机油以及曲轴箱内油雾之间的放热系数和相应的介质温度，计算活塞的温度场，然后将某些特征点上的温度计算值与预先通过实测的温度值进行校验。这样通过多次修正，直至某些特征点上的计算温度值与实测值基本符合为止。c 活塞有限元分析研究目前在活塞的有限元分析研究中，对活塞的静态温度场计算，热应力应变分析，机械应力应变分析已日趋成熟，已有大量的成果和论文报道。对活塞的瞬态传热分析、多物理场的耦合问题、多相多态介质耦合问题，特别是多尺度模型的耦合问题，尚没有成熟可靠的理论，还处于探索阶段【1 6 j 。另外，许多专家已开始对活塞进行更深的应用与研究。比如：浙江大学王希珍博士【2 0 】等在热冲击试验的基础上，对活塞在高、低周波矩形热冲击模式下的温度响应和热应力进行了有限元分析和计算。聂建军，杜发荣等【2 l 】基于运动弹性动力学理论以及有限元分析方法，计算出了柴油机膨胀冲程1 9 个瞬时结构条件下活塞和连杆机构的位移、应力、应变，得到了机构的动态响应。张卫正，魏春源等【2 2 】以内燃机铝合金活塞弹塑性有限元计算为基础，研究了高温蠕变影响下铝合金活塞寿命的预测方法，并给出了寿命宏观预测公式。1 5 本论文的主要内容和研究目的活塞的有限元分析国内、外已经作了大量的报道。前面已经简要的介绍了我国工作人员的主要研究成果。但是现在的发动机向着高效、节能、高质量等的方向发展，而单独的硅铝合金活塞再很难满足这种应用的要求，因为活塞项部的高温，高频载荷使活塞很快的报废了。为此，本文提出了陶瓷金属功能梯度活塞。目前，国外在这方面的研究开展比较多，特别是美国和日本等发达国家。在我国，在这方面的研究也受到了国家的重视，但是根据目前的资料来看，针对活塞的热分析的报道并不多见。因此，本文提出了陶瓷金属功能梯度材料活塞的温度场和热应力场的分析。即在活塞的顶部制备陶瓷金属功能梯度层，陶瓷层可以起到很好的隔热作用，梯度层可以缓和陶瓷和金属材料由于线膨胀系数不匹配而产生的热应力，但是，制备了梯度层后，活塞项部的温度升高多少? 活塞的温度场和热应力场分布怎样? 这些并不清楚。本论文研究的内容主要包括以下几个部分：( 1 ) 第一章概述部分，主要讲述了隔热涂层在发动机上的应用，同时也介绍了有限元方法在活塞上的应用，进而阐述了本课题研究的主要内容及目的。( 2 ) 第二章对热分析的基本理论进行了介绍，为第四、五章分析功能梯度活塞的热分析做准备。( 3 ) 第三章功能梯度活塞模型的建立、活塞边界条件及物性参数的确定。为以下章节的功能梯度活塞的热分析提供了准确的模型和较准确的边界条件及梯度层中的物性参数，使得分析结果更加真实、可靠。( 4 ) 第四章进行了功能梯度活塞头部的有限元热分析。比较了梯度层中不同陶瓷体积百分含量活塞头部的温度场和热应力场，为整个功能梯度活塞的热分析提供了参考依据。( 5 ) 第五章进行了功能梯度活塞的有限元热分析。比较了梯度层中不同陶瓷体积百分含量活塞的温度场和热应力场，为我们目前的试验提供了理论分析。( 6 ) 第六章对全文进行了总结，并对本论文所做工作的不足作了分析和展望。9第二章传热的基本理论本章扼要地阐述传热的基本原理，目的是为进一步研究活塞的热分析问题打下基础。2 1 热量传递的基本方式热量传递在作为最常见的物理现象之一的同时，也是一种非常复杂的物理现象。研究复杂问题的有效手段是将复杂问题按一定的原则分类，使其分解为多个简单的问题，在获得求解这些简单问题的方法后，原来复杂问题的求解就变的容易了。而将传热进行分类的一个基本原则是按照热量的不同机理，即热量以何种方式或何种运动形式进行传递。经过大量的归纳总结，发现按传热的不同机理，可将传热划分为三种基本方式：热传导( t h e r m a lc o n d u c t i o n ) 、热对流( h e a tc o n v e c t i o n ) 、和热辐射( t h e r m a lr a d i a t i o n ) 2 3 】。图2 1 给出了这三种基本方式的示意图，下面将对这三种传热方式作简要的介绍。t lt 1 ) t 2( a ) 热传导( b ) 热对流( c ) 热辐射图2 1 三种基本的传热方式2 1 1 热传导热传导( 简称导热) 是热能传递中的一种方式。它是由于物系内部存在着温度差，引起热能从温度高的部分传向温度低的部分，或从一个物体传到另一个与其互相接触的物体。很明显，导热过程是一个不平衡的热力学过程，它是以一定的速度在一定的空间和时间条件下进行的。研究热传导的任务在于：确定物体内部的温度分布，热传导的速度和传递的热量等。在纯热传导的现象中，传递的热量q ( w ) 与温度梯度州砌、时间f 和垂直于导热方向的截面积a 成正比，如图2 2 所示。1 0+ 三q 彳 刃b卜而少黧图2 2 温度梯度和热流方向的传递即q = - 2 咖b t 彳f或9 2 号= 一名言妄。2 。，式中，名是材料的导热系数，w m k ；负号“一，表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。式( 2 1 ) 就是傅立叶定律的数学表达式。2 1 2 热对流热对流是由于液体、气体中温度不同的各部分之间发生宏观相对运动引起的热量传递过程。它是在液体微团水平上进行的热量传递。工程上经常遇到的是运动液体和温度不同的固体表面之间的热量传递过程，这种热量传递过程为表面对流传热，简称对流传热。显然，对流传热是热对流和导热同时参与的热量传递过程。按照引起流动的不同原因，可以把对流传热分成自然对流和强迫对流两大类。所谓自然对流( n a t u r a lc o n v e c t i o n ) 或称自由对流，是因流体受热( 或受冷) 产生密度变化而引起的流动。强迫对流( f o r c e dc o n v e c t i o n ) 是指流体的运动由外界强迫驱动力引起。无论气体或液体，若不发生相变就属于单相流体的对流传热。如果液体在被加热或被冷却的过程中出现了相态变化，即由液态转变为气态，或者由气态变为液态，那么液体与固体壁面间交换的热量就将包括潜热( 1 a t e n th e a t ) ，它们分别为沸腾和凝结。无论是否发生相变，对流传热量q 与换热面积a 、固体壁面和流体间的温度差( t w - t r ) 成正比，即或q = o e a ( t 。一0 )q = o t ( t 。一f ，)式中：彳一为换热面积( 聊2 ) ，( 2 2 )乙，一为固体表面温度( 或k ) ，t ，一为流体温度( 或k ) ，口一为表面传热系数( 形2 ( m 2 k ) ) 。上式被称为牛顿公式，牛顿公式并未揭示对流传热过程的内在本质，只不过将各种影响因素都集中在传热系数口身上罢了。由此可见，研究对流传热过程的关键在于求取流体对固体壁面的传热系数口。在活塞的热分析中就会涉及到传热系数口的求取，且