基于仿真加速試驗(yàn)和數(shù)理統(tǒng)計的活塞可靠性研究.pdf

1、隨著對產(chǎn)品性能要求的提高和國家低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，內(nèi)燃機(jī)作為當(dāng)今社會的主要動力裝置之一，其功率密度有著顯著提高，這就帶來了高熱負(fù)荷和高爆發(fā)壓力的挑戰(zhàn)。而活塞作為內(nèi)燃機(jī)的核心部分之一，項(xiàng)面直接承受燃燒室內(nèi)高溫高壓工質(zhì)影響，其可靠性備受相關(guān)人員的關(guān)注。本文針對該領(lǐng)域尚未解決的問題，利用三維仿真對缸內(nèi)燃燒進(jìn)行分析，運(yùn)用有限元得到活塞應(yīng)力分布，并結(jié)合加速試驗(yàn)理論通過不同加速工況的仿真結(jié)果估算活塞額定工況的壽命，對活塞的可靠性進(jìn)行評估。
　

2、　具體的，首先針對國內(nèi)主要利用經(jīng)驗(yàn)公式獲取活塞頂面邊界條件的現(xiàn)狀，本文運(yùn)用三維CFD軟件對一個周期內(nèi)燃燒室中的情況進(jìn)行仿真，不僅能夠?qū)Ω變?nèi)流動、傳熱、燃燒狀況進(jìn)行評估，還能從中獲得活塞頂面溫度與換熱系數(shù)分布規(guī)律，且相較于經(jīng)驗(yàn)公式法，更能充分地體現(xiàn)空間特性。之后利用一維仿真的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，以保證仿真模型基本準(zhǔn)確的前提下，將仿真結(jié)果作為活塞頂面的邊界條件。
　　其次，利用三維仿真獲得的頂面邊界條件，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)置以及其他仿真結(jié)

3、果，對活塞溫度場和應(yīng)力場的計算進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，從而在Abaqus軟件中獲得活塞溫度場，以及活塞在熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷和熱機(jī)耦合負(fù)荷影響下的應(yīng)力與應(yīng)變分布規(guī)律。仿真結(jié)果顯示，由于缸內(nèi)湍流和進(jìn)氣冷卻等原因，排氣側(cè)溫度普遍高于進(jìn)氣側(cè)，從而熱應(yīng)力較大，且在第二環(huán)內(nèi)緣面上達(dá)到最大值。機(jī)械應(yīng)力則由于存在與活塞銷的接觸，從而在活塞銷座內(nèi)側(cè)上部出現(xiàn)了最大值。對于熱機(jī)耦合狀態(tài)下，活塞最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第二環(huán)內(nèi)緣面，這是兩種負(fù)荷產(chǎn)生的應(yīng)力疊加的結(jié)果?；钊N座處由于

4、剛銷柔座的材料設(shè)定，兩種應(yīng)力有所抵消，從而應(yīng)力相對變小。
　　最后，利用仿真獲得的結(jié)果計算出活塞的疲勞壽命，結(jié)合加速試驗(yàn)相關(guān)理論，選取合適的加速模型，通過不同加速工況的仿真疲勞壽命在Matlab中進(jìn)行擬合。通過對比仿真值與擬合值可以看出擬合效果良好，從而通過擬合曲線估算活塞在額定工況下的疲勞壽命。與仿真值進(jìn)行比較，在熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷和耦合負(fù)荷下，相對誤差分別為4.11％，2.66％，7.91％，均相對較小，基本符合工程使用的要求，