活塞热负荷模拟实验机设计

1、活塞热负荷模拟实验机设计毕 业 设 计 开 题 报 告1 选题依据：一本课题研究的背景和目的意义随着发动机强化指标的不断提高，其整机及主要零部件的可靠性受到了更加严峻的考验。已有的研究工作表明，发动机在频繁起动(尤其是超低温启动)、停车或突加载荷等非稳定工况下，燃烧室表面所承受的热冲击负荷更为严重1 。活塞作为内燃机的核心零部件之一,其所处的工作环境十分恶劣,在工作中不仅要承受高压燃气压力、惯性力、侧压力和摩擦力等周期性机械载荷作用,而且要承受高温燃气的热负荷作用,这些载荷将导致活塞产生开裂、活塞环胶结、卡环和拉缸等破坏。合理的结构可提高活塞的可靠性、耐久性,满足柴油机排放法规要求以及降低生产

2、制造成本2。柴油机的不断强化,柴油机热负荷不断升高,作为柴油机关键零部件的活塞,其热负荷也不断提高,活塞的热负荷研究成为柴油机性能优化研究中一个非常重要的研究方向【3】。现代新型柴油机广泛地应用于运输、载重卡车、工程机械等领域,其关键零部件之一一活塞面临着日益提高的热负荷与机械负荷的共同作用。【4】目前,国外柴油机的最大爆发压力已达到22MPa以上,国内柴油机也已达到17MPa左右。同时,热负荷也在不断提升,铝合金活塞的承载能力几乎达到了极限状态,如此恶劣的工作条件容易引起活塞的疲劳失效破坏。因此,针对活塞的疲劳破坏开展课题研究,在设计开发阶段采取适当的预防措施,是非常必要的【4】。二国内外的

3、研究发展现状 柴油机活塞的热负荷研究,主要包括活塞温度场与热应力分析研究,通过试验测量或仿真分析计算得出活塞的温度场验测量或仿真分析计算得出活塞的温度场,然后根据温度场分布结果,计算热应力分布情况, 其中关键的是求出活塞的温度场分布,这属于柴油机的传热研究。在柴油机传热研究方向,主要分为活塞的传热、燃烧室稱合传热、整机研究。在柴油机传热研究方向,主要分为活塞的传热、燃烧室稱合传热、整机親合传热等;根据传热条件还分为稳态传热和瞬态传热等。浙江大学严兆大教授针对活塞的热负荷进行了深入的探讨研究。在试验研究方面,对活塞进行了热冲击实验,测量了活塞在低周波和高周波冲击情况下的温度场分布。并进行了活塞在

4、低周波和高周波热冲击下的有限元仿真分析, 得到了活塞在相应环境下的温度场及热应力场分布。在研究过程中,还考虑了气赶内福射换热影响,并进行了深入的探讨研究5。大连理工大学白敏丽教授对柴油机活塞负荷进行了热机械稱合分析 研究。将柴油机燃烧室的相关部件,如汽社头、活塞、活塞环、社套及活塞销等部件进行了组合建模分析,对活塞组件的稳态温度场及热应力分布情况进行了研究。并对活塞和气缸套的稱合模型进行接触单元处理,进行了二维和三维的瞬态温度场分析, 得到了关键部位的温度变化曲线67。国外在发动机热负荷方面的研究要更早,从1923年W.Nuselt研究煤气机虹内传热与热负荷问题,1929年埃希尔伯格对大型中低

5、速二冲程船用柴油机进行燃烧室传热与热负荷问题研究,到1965年GWoshni对四冲程型柴油机进行瞬态传热与热负荷问题研究,再到现在柴油机领域相关研究人员对柴油机进行整机热负荷仿真计算模拟研究等,柴油机热负荷问题研究历史经过将近一个世纪的发展历程,科研工作者在柴油机热负荷问题研究方面取得了丰硕的理论 成果。经过不懈努力和不断积累,在20世纪,国外科学家和发动机厂商总结推导得出 了许多关于发动机传热与热负荷计算的经验公式和半经验公式,并在柴油机热负荷计算分析中得到广泛的应用891011。美国Wisconsin大学Madison分校的研究工作人员对发动机燃烧室及活塞的传热与热负荷进行了研究,在研究过

6、程中,将有限差分法进行了结合利用,对虹内传热及活塞热负荷进行了瞬态仿真分析。在建立仿真模型的过程中,全面考虑了气虹盖、活塞、活塞环、气赶套及紅套壁面的润滑油膜等,并通过专门编写程序来进行燃烧室部件的传热与热负荷仿真,使得虹内传热与热负荷模拟分析的准确精度得到了很大的提高【12-13】浙江大学俞小莉教授针对活塞热负荷引起的活塞热疲劳破坏问题进行了深入的分析研究。在试验研究方面,设计了专门的活塞热疲劳试验研究台架,并在设计试验台架时,应用了现代控制技术对活塞热疲劳模拟试验的自动控制系统进行设计制作,结合PLC控制技术对热疲劳试验进行了自动控制。模拟试验台架设计中,采用了一种先进的活塞加热模块,对活

7、塞的热疲劳过程进行了更接近实际的模拟,比较准确的测量得到了活塞在热疲劳过程中的温度场分布情况,并将试验测量所得的温度场与有限元方法仿真模拟得到的温度场进行了对武汉理工大学硕士学比分析,验证了此方法的可信性。俞小莉老师对活塞的热负荷情况进行了比较细致的研究,利用有限元商用软件研究了柴油机燃烧室形状对活塞热负荷情况的影响,并仿真计算得到了活塞的温度场和热应力分布情况。在仿真分析研究方面,研究了冷却方法对活塞热负荷的影响,计算分析了活塞在不同冷却方法下工作时,活塞的温度场分布情况。通过将活塞各种冷却方式下的温度场分布进行了对比 分析,分析得出强制冷却可以有效的降低活塞运行过程中的最高温度,提高活塞的

8、安全可靠性。在温度场的仿真过程中,建立了活塞-虹套的组合模型,对柴油机在额定工 况下稳定运行时活塞的瞬态温度场进行了模拟,得到了活塞的稳态温度场和关键部位关键点处的瞬时温度波动曲线14。三研究工作研制出一种多功能热力模拟实验机,应用LabVIEWRT控制编程,可满足热力模拟实验机所要求的高响应控制和快速高精度测量等性能,控制和测量精度不低于目前国内外先进的同类设备;其功能多于常见的热力模拟实验机,在同一台设备上实现了拉伸、压缩、扭转及拉扭复合、压扭复合等多种实验功能阐述了该实验机的设计功能、设备构成、人机界面、控制系统及主要指标【15】。更多还原柴油机的活塞热负荷分析研究，一般地包括为活塞温度

9、分布和热应力分析研究，利用试验方法测量或仿真模拟分析计算算出活塞的主要温度场，接着以温度场为边界条件利用有限元分析软件 ABAQUS 来计算分布结果,得出热应力、变形等分布情况，过程中关键的一步就是求活塞温度场的分布，所有这些属于内燃机的传热方面研究。除此之外，活塞还受到机械负荷，由于柴油机燃烧室燃烧的高温高压气体不仅让活塞处于高温状态下，而且，气体在推动活塞作往复运动时也会对活塞产生周期性的惯性压力，在活塞上下运动过程中由于惯性作用还会产生侧压力，在这些机械负荷下，活塞的作用还会产生侧压力，在这些机械负荷下，活塞的温度场分布、应力还有变形等都将产生怎样的变化，我们也要通过有限元分析软件 AB

10、AQUS 来计算分析，最后得出活塞的温度、应力、变形等分布情况。活塞的热负荷、机械负荷应该是一个统一的整体,单独模拟计算其中任何一个都不能全面的分析和了解活塞的真实的温度、应力、变形特点，也没办法估计活塞的真实使用价值，基于现代内燃机正向着高压、高强度方向发展，随着计算机和有限元分析软件的发展，功能进一步强大，所以要综合考虑这两方面共同的作用，即耦合分析活塞在热负荷和机械负荷共同作用下，活塞的整体性能分析，计算出活塞在热负荷和机械负荷共同作用下，活塞的整体性能分析，计算出各个分布情况，最后准确的校核或改进活塞提供准确严谨的数据和方向。通过 PRO/E 三维制图取活塞的二分之一建立模拟计算模型，

11、通过 BOOST 软件模拟活塞的有限元计算的边界条件，最后再利用有限元模拟软件计算活塞的温度、应力以及变形分布情况，与试验数值对比，并提出相应的解决方案。下面是主要课题内容：1.利用 PRO/E 对 IE6D275 型柴油机活塞建立其二分之一模型，并将其导入到ABAQUS 有限元软件中进行模拟计算，所需的温度与传热系数等边界条件由 BOOST模拟软件模拟和经验公式计算出，最终得到单独热负荷下活塞的温度、应力和变形分布。参考文献 1王斌. 启动工况下活塞热负荷问题的研究D.浙江大学,2006.2谢琰. 柴油机活塞热负荷与机械负荷的三维有限元耦合分析D.内蒙古工业大学,2010.3姚志敏. 6K1

12、0型柴油机活塞热负荷研究D.武汉理工大学,2012.4郭金宝. 高功率柴油机活塞可靠性分析及试验研究D.山东大学,2007.5严兆大,郑飞,倪计民等.风冷柴油机的传热勾热负荷.内燃机学报,1985(1):77-886白敏丽.发动机活塞组一缸套整体耦合系统瞬态温度场数值模拟.小型内燃机,1994(4): 12-177白敏丽.内燃机传热全仿真模拟研究燃烧室部件耦合系统循环瞬态传热模型.内燃机学报,2000(1):1-58T. Morel and R. Keribar. A Model for Prediction Spatially and Time Resolved Convective Hea

13、t Transfer in Bowl-in-Piston Combustion Chambers. SAE Trans,Vol.94,Sec.2,8502049G C. Davis and C. Borgnakke. The Effect of In-Cylinder Flow Processes (Swirl, Squish and Turbulence Intensity) on Engine Efficiency-Model Predictions. SAE Trans, 91,Sec. 1,82004510R. D. Reltz and C. J. Rutland. 3-D Model

14、ing of Diesel Engine Intake Flow Combustion and Emissions. SAE 91178911T. Morel and R. Keribar. Heat Radiation in DI Diesel Engine. SAE Paper,No.86044512L. Chang and K. T. Rhee. Computation of Radiation Heat Transfer in Diesel Combustion. SAE Paper, No. 8311322 13M, Chapman, M.C. Friedman and A. Aha

15、n,. A Time-dependent Spatial Model for Radiant Heat Transfer in Diesel Engines, SAE Paper, No.83172514俞小莉,沈瑜铭,沈晓雯.三维有限元法预算活塞工作温度和应力.内燃机工程1999(3): 70-7315骆宗安,苏海龙,张殿华,王国栋. 多功能热力模拟实验机的研究与开发J. 东北大学学报,2003,12:1181-1183. 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：原始数据与技术要求：活塞直径：110mm；活塞顶部传入的热量：；冷却液流量：2050L/min可调；冷却油流量：1030L/min可调；活塞温度测量范围：25500；活塞温度测量精度：0.5；液体流量测量精度：实际值的0.1%；冷却液与冷却油的出口温度可在6090的任一温度点保持恒定。工作要求：1) 查阅资料，了解活塞的工作条件和零件的加热方法；了解现代试验装置应具备的功能和实现功能的手段，制定设计的技术路线，完成开题报告。2) 根据活塞的工作条件设计实验装置的结构方案，模仿活塞工作时的运动状态和传热边界；3) 对运动装置、加热装置、水冷装置和油