熱障涂層活塞熱應(yīng)力的有限體積方法研究與應(yīng)用.pdf

1、內(nèi)燃機活塞的工作環(huán)境惡劣，需要承受交變高強度機械載荷和熱載荷。熱障涂層（TBC）活塞綜合利用多相材料的優(yōu)點，為提高內(nèi)燃機的壽命和可靠性提供良好的技術(shù)支撐。為了制造滿足技術(shù)要求的TBC活塞，在設(shè)計階段需要準(zhǔn)確預(yù)估其熱力性能。建立適用于TBC活塞熱力性能研究的數(shù)值方法，為新型活塞提供性能預(yù)測工具具有重要工程意義。
　　TBC活塞幾何形狀復(fù)雜、材料屬性空間變化，因此采用的研究方法需要具備處理任意非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和復(fù)合材料的能力，同時需要兼顧計

2、算精度和計算消耗?？紤]到有限體積法（FVM）對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的適用性和對固體力學(xué)問題的實用性，本文以FVM為基本算法建立適用于TBC活塞熱力性能預(yù)測的數(shù)值方法。
　　針對TBC結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力問題，建立兩套數(shù)值方法，即格心型有限體積法（CC-FVM）和格點型有限體積法（CV-FVM）。準(zhǔn)確求解TBC熱應(yīng)力問題，需要將物性參數(shù)的空間變化引入離散過程。為此，本文 CC-FVM采用中心差分方法計算離散方程中涉及的面單元上的物理量，從而在離散方程中

3、體現(xiàn)物性參數(shù)的變化；本文 CV-FVM采用交錯網(wǎng)格技術(shù)，將待解變量和物性參數(shù)定義在不同的空間位置，從而在控制體單元中體現(xiàn)物性參數(shù)的變化。
　　評價兩種方法的數(shù)值性能和對復(fù)合材料的適用性。結(jié)果表明，CC-FVM的計算精度和代數(shù)精度低于 CV-FVM，內(nèi)存消耗少于 CV-FVM，計算效率低于 CV-FVM，尤其對于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格CC-FVM收斂緩慢甚至發(fā)散；修改CC-FVM離散方程的形式，能提高其收斂速度，但不能避免計算非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格問題時的

4、發(fā)散問題；針對功能梯度材料（FGM）問題，CC-FVM和CV-FVM都能有效避免材料屬性空間變化引起的數(shù)值不連續(xù)；針對層合材料問題，CC-FVM計算得到的材料分界面應(yīng)力存在數(shù)值波動，而CV-FVM計算結(jié)果與理論解吻合良好；與現(xiàn)有復(fù)合材料熱應(yīng)力數(shù)值分析方法對比，CV-FVM比有限體積理論（FVT）需要的計算量和內(nèi)存少，比梯度有限元方法（FEM）具有更廣泛的適用性，不受載荷和材料變化方向的限制。
　　擴展CV-FVM的應(yīng)用范圍，針對溫

5、度非線性問題建立CV-FVM求解流程，針對非均質(zhì)問題給出材料顆粒隨機分布的實現(xiàn)方法。采用CV-FVM數(shù)值模擬不同形式TBC熱應(yīng)力場，分析溫度非線性、材料分界面形貌、FGM形式和材料非均質(zhì)等對TBC熱力性能的影響，驗證CV-FVM對復(fù)雜TBC熱應(yīng)力問題的適用性。
　　采用CV-FVM數(shù)值模擬不同活塞熱應(yīng)力場，對比分析TBC活塞與普通活塞的熱力性能，結(jié)果表明TBC的使用能夠減小活塞的變形，增加活塞表面溫度，降低活塞環(huán)槽區(qū)域的應(yīng)力水平，