启动工况下活塞热负荷问题的研究

作     者：王斌 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘震涛;俞小莉

授予年度：2006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：热冲击 低温起动 活塞 边界条件 温度场 启动工况 

摘      要：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。因此本文以启动工况下活塞的热负荷问题为对象展开研究。 本文以z175F2型柴油机主要受热零件—活塞的热冲击作为研究对象，在所研制的活塞热疲劳摸拟试验台上，进行了活塞热状态的模拟试验。应用ANSYS软件，通过合理的模型简化，对发动机启动工况下活塞的热冲击状态进行了数值仿真，从理论上探讨了启动温度对活塞热状态的影响。利用模拟计算与试验结果相结合的方法，讨论了适用于低周热冲击模拟的边界条件的载荷模式，获得了接近于发动机启动工况下活塞的温度场与热应力场分布，并模拟计算了超低温启动工况下活塞的热负荷情况。从而更加全面深入地了解在启动工况下活塞的温度场和应力场变化规律。上述试验和理论研究结果将为活塞热损伤的研究打下良好的基础，同时也为探索发动机启动性能和可靠性研究提供了理论和试验手段。 根据本文仿真计算和试验的结果可以得出以下结论： 1、进行启动工况下活塞热状态模拟时，单个工作循环中活塞表面温度的波动对活塞启动工况下热负荷状况分析的影响很小，可以不予考虑，因此可以忽略载荷的周期性，对活塞施加平均载荷或者线性变化载荷。 2、本研究试验对象为175柴油机平顶活塞，其结构相对比较简单，仿真模型的计算精度与边界条件以及初始条件的选取有直接关系，而边界条件以及初始条件的获取则很大程度上依赖于试验。因此，在活塞热冲击的研究上，理论模型的复杂程度并不是主要因素，准确地确定边界条件和初始条件才是模型是否实用的先决条件。 3、发动机启动初期，活塞的热应力呈现较强的动态效应，初始温度越低，活塞内温度升高率越大，活塞内热应力越高;活塞燃烧室喉口受燃气冲刷最强烈，该部位热状态随燃气温度的波动而快速变化。