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TiB2/Al颗粒增强材料压蠕变-疲劳耦合模型及寿命预测研究

TiB2/Al颗粒增强材料压蠕变-疲劳耦合模型及寿命预测研究

引用

作者：张青北京理工大学

学位级别：硕士

活塞在循环高温燃气和爆发压力的作用下受到明显的压蠕变和疲劳的耦合作用，导致活塞失效，对活塞关键部位进行较为准确的寿命预测具有重要意义。TiB2颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高弹性模量、优异的高温性能，在活塞上具有很好... 详细信息

活塞在循环高温燃气和爆发压力的作用下受到明显的压蠕变和疲劳的耦合作用，导致活塞失效，对活塞关键部位进行较为准确的寿命预测具有重要意义。TiB2颗粒增强铝基复合材料具有高比强度、高弹性模量、优异的高温性能，在活塞上具有很好的应用前景。本文对TiB2颗粒增强铝基复合材料的压蠕变和循环压蠕变-弹塑性的宏观性能和微观机理进行研究，进而获得较为准确的本构模型;并基于能量法，对活塞喉口处蠕变-疲劳寿命进行预测计算。（1）本文对比了铸铝合金和TiB2颗粒增强铝基复合材料的基本力学性能以及其微观结构的差异。分析了TiB2颗粒增强铝基复合材料的增强机理为TiB2颗粒使原基体中的共晶硅形貌由长针状变成短杆状。（2）通过宏观拉、压蠕变实验，研究了铸铝合金拉压蠕变不对称性的变化规律。温度越高，应力越大，拉、压稳态蠕变阶段的区别越明显。采用SEM扫描电镜和TEM透视电镜进行了微观缺陷的观察和分析，发现温度高低和拉压应力大小的不同对微孔洞成核的影响，是造成蠕变稳态阶段应变率差异变化规律的主要原因。基于宏观现象和微观机理，建立了耦合拉、压蠕变区别因素的新的蠕变模型。随后，比较了TiB2颗粒铝基增强复合材料和原铸铝基体材料的压蠕变性能，TiB2颗粒增强铝基复合材料的压蠕变增强性能在中低温下增强，在高温下反而略微降低;并进一步验证了新的拉压蠕变模型对铸铝基类材料的适用性。（3）研究了TiB2颗粒增强铝基复合材料的循环压蠕变-弹塑性性能，分析了压蠕变与循环塑性的交互影响。在中低温下，塑性循环对材料的蠕变性能的影响并不明显;而在高温下，塑性循环使材料的蠕变抗性下降。耦合的压蠕变量对材料的循环弹塑性性能造成软化;循环塑性的负向屈服中心受压蠕变影响并不明显;而正向屈服中心向正方向移动。TEM透视电镜的微观观察发现蠕变的加入使循环弹塑性形成的位错回复重排。蠕变量越大，材料中的亚晶结构和位错墙越明显，这是造成反向屈服中心向正方向移动的原因;同时，位错重排后密度降低，造成材料明显软化。基于循环压蠕变-弹塑性宏观特性和微观观察分析，建立了新的力学模型。通过MATLAB的M.函数进行模型的验证计算，该模型反映出与实验结果类似的应力应变关系。（4）对活塞进行了有限元计算，确定头部喉口处为薄弱环节;采集喉口处的循环应力在的新的循环压蠕变-弹塑性模型中进行计算，获得稳定滞后环，弥补了有限元软件无法耦合蠕变-循环弹塑性计算的缺陷。基于能量法对喉口处进行了寿命预测。新的循环压蠕变-弹塑性模型计算的滞后环所预测的寿命与实验结果吻合较好。

关键词：压蠕变疲劳活塞颗粒增强复合材料寿命预测

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柴油喷雾碰壁传热特性研究

柴油喷雾碰壁传热特性研究

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作者：张帅北京理工大学

学位级别：硕士

随着柴油机升高率要求的不断提高,喷雾碰壁已成为一种不可避免的现象,使得附壁油膜和近壁面浓混合气产生,这直接导致了柴油附壁燃烧以及柴油的不完全燃烧现象,这将加重活塞燃烧室热负荷问题、发动机可靠性问题以及排放问题更加恶化。由... 详细信息

随着柴油机升高率要求的不断提高,喷雾碰壁已成为一种不可避免的现象,使得附壁油膜和近壁面浓混合气产生,这直接导致了柴油附壁燃烧以及柴油的不完全燃烧现象,这将加重活塞燃烧室热负荷问题、发动机可靠性问题以及排放问题更加恶化。由此,本文将对柴油喷雾碰壁后喷雾碰壁形态和喷雾碰壁换热过程进行试验和数值仿真研究。本文设计并搭建了一个柴油喷雾碰壁可视化试验台,主要包括柴油高压共轨系统、加热控温装置以及瞬态温度测试系统、德维创数据采集仪、高速摄影机这四部分,并重点介绍了温度加热装置的设计、瞬态温度传感器的选取、高速摄影机的选取与参数设置。所搭建的可视化试验台可以实现不同压力(0～120MPa)、不同喷射距离(0～20cm)、不同壁面温度(常温至250℃)下柴油喷雾碰壁形态的可视化研究和柴油喷雾碰壁传热特性研究。柴油喷雾碰壁形态的可视化试验研究结果表明,喷雾碰壁距离过小或过大时喷雾碰壁形态发展不好,通过比较碰壁后喷雾发展速度,发现当喷射距离d=8cm、10cm时,能在较短时间内得到相对完好的喷雾形态;喷射压力的增大和壁面温度的升高都使得喷雾扩散半径和喷雾卷吸高度明显增大,但随着压力的不断提高,对喷雾扩散半径和喷雾卷吸高度的影响减弱;通过比较增长率,发现壁面温度对喷雾卷吸高度的影响更为显著,而喷射距离和喷射压力对喷雾扩散半径的影响更大,距离或压力的增大使得喷雾扩散半径改变明显。柴油喷雾碰壁传热特性试验结果表明,喷射距离增大使喷雾碰壁传热过程逐渐增强,但随着喷射距离的进一步增加,喷雾碰壁传热量有所减弱;喷射压力的升高和壁面温度的升高均促进了强制对流换热过程和油膜蒸发换热过程,但随着喷射压力的进一步增加,起主导作用的强制对流换热减弱;当壁面温度从120℃升高到210℃,瞬时热流密度由6.20MW/m升高到15.90MW/m,经比较发现温度对喷雾碰壁传热过程的影响远远超过喷射压力和喷射距离对喷雾碰壁传热过程的影响,并拟合了柴油喷雾碰壁传热试验的无量纲关联式,关联式中考虑了喷射压力、喷射距离、壁面温度对换热的影响。此外,利用流体力学软件Fluent对柴油喷雾碰壁过程进行三维数值仿真模型,将得到的仿真数据与试验采集数据进行比较,发现壁面温度波动曲线的变化趋势相同、壁面温度差的最值的差别在10%以内、产生壁面最大温差的时间基本相同,成功地验证了仿真模型的合理性,并对高温壁面下喷雾碰壁传热特性进行研究。

关键词：喷雾碰壁形态传热特性数值模型

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