基于熱-結(jié)構(gòu)耦合的鋼活塞抗疲勞設計與壽命預測研究.pdf

1、隨著柴油機持續(xù)向高的功率密度方向發(fā)展，活塞作為柴油機的心臟，它的工作條件變得更加惡劣，因此活塞需要在材料、結(jié)構(gòu)和工藝上均有所突破。本文針對上述問題，在有限元分析及抗疲勞設計理論的基礎(chǔ)上，開展了鋼活塞熱-結(jié)構(gòu)耦合分析、抗疲勞結(jié)構(gòu)設計及疲勞壽命預測研究，在鋼活塞結(jié)構(gòu)抗疲勞方面作了有益的探索。
　　本文在建立鋼活塞三維幾何模型的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件 HYPERMESH對鋼活塞三維模型進行了幾何清理，并確定了網(wǎng)格劃分的合理方案，定義了材

2、料屬性，確立了熱負荷邊界條件、機械負荷邊界條件、熱-結(jié)構(gòu)耦合邊界條件，進而運用有限元分析軟件ANSYS對模型分別進行了熱負荷、機械負荷、熱-結(jié)構(gòu)耦合的計算，得到了鋼活塞穩(wěn)態(tài)溫度場的溫度分布云圖、溫度梯度云圖、熱流密度云圖、熱負荷作用下的應力及變形、機械負荷作用下的應力及變形、熱-結(jié)構(gòu)耦合作用下的應力及變形，通過建立鋼活塞參考點應力及變形柱形圖，得出了鋼活塞不同負荷作用下的危險點位置，為下一步的抗疲勞結(jié)構(gòu)設計及疲勞壽命預測研究打下了基礎(chǔ)。

3、
　　活塞設計上既要保證安全耐久抵抗熱負荷和機械負荷，又要力求重量最小。活塞輕量化主要取決于結(jié)構(gòu)形式和尺寸的合理選擇,由于正交設計方法可以較少時間算出最優(yōu)方案，本文抗疲勞結(jié)構(gòu)設計在不對活塞做大的改動條件下，通過對活塞冷卻油腔的平均高度、頂部厚度和銷座間距三個結(jié)構(gòu)尺寸定義設計變量控制因素，并設定各因素的3個水平值，采用9L4(3)正交表安排了9組實驗方案進行優(yōu)化設計，最終確定抗疲勞設計方案，以達到減輕活塞質(zhì)量、降低危險點應力、提高抗

4、疲勞能力的目的。并根據(jù)以上實驗結(jié)果算出各因素的極差值，構(gòu)造F統(tǒng)計量，生成正交方差分析表，對各因素效應的顯著性作了對比研究，為鋼活塞的繼續(xù)減重、抗疲勞能力的進一步提高提供了參考。
　　通過對結(jié)構(gòu)疲勞分析理論的探索，選取疲勞壽命估算方法中的有限壽命法進行疲勞壽命預測研究，并以基于材料的S-N曲線為準則的名義應力法來進行活塞疲勞壽命的估算。利用疲勞壽命分析軟件FE-SAFE，通過輸入結(jié)構(gòu)幾何特征、疲勞載荷信息、材料疲勞屬性三項信息，以求