柴油机活塞热负荷和机械负荷耦合研究

作     者：何振鹏 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张俊红

授予年度：2010年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：活塞 温度场 热负荷 机械负荷 热机耦合 传热系数 热流密度 

摘      要：活塞是发动机的关键零部件之一,活塞工作的可靠性、耐久性直接关系到发动机的整体性能。活塞工作环境恶劣,承受很高的热负荷和机械负荷,热负荷主要是活塞顶面高温燃气引起的,高温燃气不仅使活塞顶部温度比较高,同时会引起活塞的许多部位热流密度比较大。活塞的机械负荷主要是由于活塞在运动过程中要承受爆发压力、往复惯性力、侧向力、摩擦力等机械载荷。实际工作中活塞是在两种负荷共同作用下工作的,因此使得活塞在工作中的应力应变分析变得复杂。 本文采用有限元方法对某柴油机活塞的温度进行分析,得到活塞的温度分布规律,并将活塞温度分布结果代入到多体动力学分析模型中来分析活塞的侧推力,分析结果表明温度是通过改变连杆轴线偏离气缸轴线的角度来影响侧推力的。在此基础上,分析侧推力对活塞的应力分布所产生的影响,计算活塞在热负荷、机械负荷和热机负荷耦合作用下活塞的应力和变形,结果表明侧推力会导致活塞裙部、环槽、活塞销座根部应力增加,在活塞热机耦合分析中,活塞变形主要是热变形。同时研究结果为降低侧推力对活塞应力的影响以及深入了解活塞应力和变形受各种负荷影响情况提供了理论基础。 为了研究燃烧室顶面边界条件对活塞的热负荷的影响,运用CFD数值分析方法对燃烧室顶面的燃烧情况进行分析,并分析了不同曲轴转角下燃烧室内活塞附近的燃气温度分布、速度分布、密度分布,计算结果表明活塞顶部附近的传热系数、热流密度与燃烧室内活塞表面燃气的速度分布、密度有关,在压缩行程活塞顶部的燃烧室喉口热流密度最大,主要是由燃烧室内部的流体速度分布引起的,膨胀过程中燃烧室底部、燃烧室喉口处的热流密度比较高,主要是由于燃烧室内部燃油着火和内部流场引起的。