活塞熱負(fù)荷模擬實(shí)驗機(jī)設(shè)計開題報告

1、活塞熱負(fù)荷模擬實(shí)驗機(jī)設(shè)計畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1 選題依據(jù)：一本課題研究的背景和目的意義隨著發(fā)動機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，其整機(jī)及主要零部件的可靠性受到了更加嚴(yán)峻的考驗。已有的研究工作表明，發(fā)動機(jī)在頻繁起動(尤其是超低溫啟動)、停車或突加載荷等非穩(wěn)定工況下，燃燒室表面所承受的熱沖擊負(fù)荷更為嚴(yán)重1 。活塞作為內(nèi)燃機(jī)的核心零部件之一,其所處的工作環(huán)境十分惡劣,在工作中不僅要承受高壓燃?xì)鈮毫?、慣性力、側(cè)壓力和摩擦力等周期性機(jī)械載荷作用,而且要承受高溫燃?xì)獾臒嶝?fù)荷作用,這些載荷將導(dǎo)致活塞產(chǎn)生開裂、活塞環(huán)膠結(jié)、卡環(huán)和拉缸等破壞。合理的結(jié)構(gòu)可提高活塞的可靠性、耐久性,滿足柴油機(jī)排放法規(guī)要求以及降低生產(chǎn)

2、制造成本2。柴油機(jī)的不斷強(qiáng)化,柴油機(jī)熱負(fù)荷不斷升高,作為柴油機(jī)關(guān)鍵零部件的活塞,其熱負(fù)荷也不斷提高,活塞的熱負(fù)荷研究成為柴油機(jī)性能優(yōu)化研究中一個非常重要的研究方向【3】。現(xiàn)代新型柴油機(jī)廣泛地應(yīng)用于運(yùn)輸、載重卡車、工程機(jī)械等領(lǐng)域,其關(guān)鍵零部件之一一活塞面臨著日益提高的熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷的共同作用。【4】目前,國外柴油機(jī)的最大爆發(fā)壓力已達(dá)到22MPa以上,國內(nèi)柴油機(jī)也已達(dá)到17MPa左右。同時,熱負(fù)荷也在不斷提升,鋁合金活塞的承載能力幾乎達(dá)到了極限狀態(tài),如此惡劣的工作條件容易引起活塞的疲勞失效破壞。因此,針對活塞的疲勞破壞開展課題研究,在設(shè)計開發(fā)階段采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施,是非常必要的【4】。二國內(nèi)外的

3、研究發(fā)展現(xiàn)狀 柴油機(jī)活塞的熱負(fù)荷研究,主要包括活塞溫度場與熱應(yīng)力分析研究,通過試驗測量或仿真分析計算得出活塞的溫度場驗測量或仿真分析計算得出活塞的溫度場,然后根據(jù)溫度場分布結(jié)果,計算熱應(yīng)力分布情況, 其中關(guān)鍵的是求出活塞的溫度場分布,這屬于柴油機(jī)的傳熱研究。在柴油機(jī)傳熱研究方向,主要分為活塞的傳熱、燃燒室稱合傳熱、整機(jī)研究。在柴油機(jī)傳熱研究方向,主要分為活塞的傳熱、燃燒室稱合傳熱、整機(jī)親合傳熱等;根據(jù)傳熱條件還分為穩(wěn)態(tài)傳熱和瞬態(tài)傳熱等。浙江大學(xué)嚴(yán)兆大教授針對活塞的熱負(fù)荷進(jìn)行了深入的探討研究。在試驗研究方面,對活塞進(jìn)行了熱沖擊實(shí)驗,測量了活塞在低周波和高周波沖擊情況下的溫度場分布。并進(jìn)行了活塞在

4、低周波和高周波熱沖擊下的有限元仿真分析, 得到了活塞在相應(yīng)環(huán)境下的溫度場及熱應(yīng)力場分布。在研究過程中,還考慮了氣趕內(nèi)福射換熱影響,并進(jìn)行了深入的探討研究5。大連理工大學(xué)白敏麗教授對柴油機(jī)活塞負(fù)荷進(jìn)行了熱機(jī)械稱合分析 研究。將柴油機(jī)燃燒室的相關(guān)部件,如汽社頭、活塞、活塞環(huán)、社套及活塞銷等部件進(jìn)行了組合建模分析,對活塞組件的穩(wěn)態(tài)溫度場及熱應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究。并對活塞和氣缸套的稱合模型進(jìn)行接觸單元處理,進(jìn)行了二維和三維的瞬態(tài)溫度場分析, 得到了關(guān)鍵部位的溫度變化曲線67。國外在發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷方面的研究要更早,從1923年W.Nuselt研究煤氣機(jī)虹內(nèi)傳熱與熱負(fù)荷問題,1929年埃希爾伯格對大型中低

5、速二沖程船用柴油機(jī)進(jìn)行燃燒室傳熱與熱負(fù)荷問題研究,到1965年GWoshni對四沖程型柴油機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)傳熱與熱負(fù)荷問題研究,再到現(xiàn)在柴油機(jī)領(lǐng)域相關(guān)研究人員對柴油機(jī)進(jìn)行整機(jī)熱負(fù)荷仿真計算模擬研究等,柴油機(jī)熱負(fù)荷問題研究歷史經(jīng)過將近一個世紀(jì)的發(fā)展歷程,科研工作者在柴油機(jī)熱負(fù)荷問題研究方面取得了豐碩的理論 成果。經(jīng)過不懈努力和不斷積累,在20世紀(jì),國外科學(xué)家和發(fā)動機(jī)廠商總結(jié)推導(dǎo)得出 了許多關(guān)于發(fā)動機(jī)傳熱與熱負(fù)荷計算的經(jīng)驗公式和半經(jīng)驗公式,并在柴油機(jī)熱負(fù)荷計算分析中得到廣泛的應(yīng)用891011。美國Wisconsin大學(xué)Madison分校的研究工作人員對發(fā)動機(jī)燃燒室及活塞的傳熱與熱負(fù)荷進(jìn)行了研究,在研究過

6、程中,將有限差分法進(jìn)行了結(jié)合利用,對虹內(nèi)傳熱及活塞熱負(fù)荷進(jìn)行了瞬態(tài)仿真分析。在建立仿真模型的過程中,全面考慮了氣虹蓋、活塞、活塞環(huán)、氣趕套及紅套壁面的潤滑油膜等,并通過專門編寫程序來進(jìn)行燃燒室部件的傳熱與熱負(fù)荷仿真,使得虹內(nèi)傳熱與熱負(fù)荷模擬分析的準(zhǔn)確精度得到了很大的提高【12-13】浙江大學(xué)俞小莉教授針對活塞熱負(fù)荷引起的活塞熱疲勞破壞問題進(jìn)行了深入的分析研究。在試驗研究方面,設(shè)計了專門的活塞熱疲勞試驗研究臺架,并在設(shè)計試驗臺架時,應(yīng)用了現(xiàn)代控制技術(shù)對活塞熱疲勞模擬試驗的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計制作,結(jié)合PLC控制技術(shù)對熱疲勞試驗進(jìn)行了自動控制。模擬試驗臺架設(shè)計中,采用了一種先進(jìn)的活塞加熱模塊,對活

7、塞的熱疲勞過程進(jìn)行了更接近實(shí)際的模擬,比較準(zhǔn)確的測量得到了活塞在熱疲勞過程中的溫度場分布情況,并將試驗測量所得的溫度場與有限元方法仿真模擬得到的溫度場進(jìn)行了對武漢理工大學(xué)碩士學(xué)比分析,驗證了此方法的可信性。俞小莉老師對活塞的熱負(fù)荷情況進(jìn)行了比較細(xì)致的研究,利用有限元商用軟件研究了柴油機(jī)燃燒室形狀對活塞熱負(fù)荷情況的影響,并仿真計算得到了活塞的溫度場和熱應(yīng)力分布情況。在仿真分析研究方面,研究了冷卻方法對活塞熱負(fù)荷的影響,計算分析了活塞在不同冷卻方法下工作時,活塞的溫度場分布情況。通過將活塞各種冷卻方式下的溫度場分布進(jìn)行了對比 分析,分析得出強(qiáng)制冷卻可以有效的降低活塞運(yùn)行過程中的最高溫度,提高活塞的

8、安全可靠性。在溫度場的仿真過程中,建立了活塞-虹套的組合模型,對柴油機(jī)在額定工 況下穩(wěn)定運(yùn)行時活塞的瞬態(tài)溫度場進(jìn)行了模擬,得到了活塞的穩(wěn)態(tài)溫度場和關(guān)鍵部位關(guān)鍵點(diǎn)處的瞬時溫度波動曲線14。三研究工作研制出一種多功能熱力模擬實(shí)驗機(jī),應(yīng)用LabVIEWRT控制編程,可滿足熱力模擬實(shí)驗機(jī)所要求的高響應(yīng)控制和快速高精度測量等性能,控制和測量精度不低于目前國內(nèi)外先進(jìn)的同類設(shè)備;其功能多于常見的熱力模擬實(shí)驗機(jī),在同一臺設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)及拉扭復(fù)合、壓扭復(fù)合等多種實(shí)驗功能·闡述了該實(shí)驗機(jī)的設(shè)計功能、設(shè)備構(gòu)成、人機(jī)界面、控制系統(tǒng)及主要指標(biāo)【15】。更多還原柴油機(jī)的活塞熱負(fù)荷分析研究，一般地包

9、括為活塞溫度分布和熱應(yīng)力分析研究，利用試驗方法測量或仿真模擬分析計算算出活塞的主要溫度場，接著以溫度場為邊界條件利用有限元分析軟件 ABAQUS 來計算分布結(jié)果,得出熱應(yīng)力、變形等分布情況，過程中關(guān)鍵的一步就是求活塞溫度場的分布，所有這些屬于內(nèi)燃機(jī)的傳熱方面研究。除此之外，活塞還受到機(jī)械負(fù)荷，由于柴油機(jī)燃燒室燃燒的高溫高壓氣體不僅讓活塞處于高溫狀態(tài)下，而且，氣體在推動活塞作往復(fù)運(yùn)動時也會對活塞產(chǎn)生周期性的慣性壓力，在活塞上下運(yùn)動過程中由于慣性作用還會產(chǎn)生側(cè)壓力，在這些機(jī)械負(fù)荷下，活塞的作用還會產(chǎn)生側(cè)壓力，在這些機(jī)械負(fù)荷下，活塞的溫度場分布、應(yīng)力還有變形等都將產(chǎn)生怎樣的變化，我們也要通過有限元分

10、析軟件 ABAQUS 來計算分析，最后得出活塞的溫度、應(yīng)力、變形等分布情況?；钊臒嶝?fù)荷、機(jī)械負(fù)荷應(yīng)該是一個統(tǒng)一的整體,單獨(dú)模擬計算其中任何一個都不能全面的分析和了解活塞的真實(shí)的溫度、應(yīng)力、變形特點(diǎn)，也沒辦法估計活塞的真實(shí)使用價值，基于現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)正向著高壓、高強(qiáng)度方向發(fā)展，隨著計算機(jī)和有限元分析軟件的發(fā)展，功能進(jìn)一步強(qiáng)大，所以要綜合考慮這兩方面共同的作用，即耦合分析活塞在熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷共同作用下，活塞的整體性能分析，計算出活塞在熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷共同作用下，活塞的整體性能分析，計算出各個分布情況，最后準(zhǔn)確的校核或改進(jìn)活塞提供準(zhǔn)確嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)和方向。通過 PRO/E 三維制圖取活塞的二分之一建立模

11、擬計算模型，通過 BOOST 軟件模擬活塞的有限元計算的邊界條件，最后再利用有限元模擬軟件計算活塞的溫度、應(yīng)力以及變形分布情況，與試驗數(shù)值對比，并提出相應(yīng)的解決方案。下面是主要課題內(nèi)容：1.利用 PRO/E 對 IE6D275 型柴油機(jī)活塞建立其二分之一模型，并將其導(dǎo)入到ABAQUS 有限元軟件中進(jìn)行模擬計算，所需的溫度與傳熱系數(shù)等邊界條件由 BOOST模擬軟件模擬和經(jīng)驗公式計算出，最終得到單獨(dú)熱負(fù)荷下活塞的溫度、應(yīng)力和變形分布。參考文獻(xiàn) 1王斌. 啟動工況下活塞熱負(fù)荷問題的研究D.浙江大學(xué),2006.2謝琰. 柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷的三維有限元耦合分析D.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2010.3姚志

12、敏. 6K10型柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷研究D.武漢理工大學(xué),2012.4郭金寶. 高功率柴油機(jī)活塞可靠性分析及試驗研究D.山東大學(xué),2007.5嚴(yán)兆大,鄭飛,倪計民等.風(fēng)冷柴油機(jī)的傳熱勾熱負(fù)荷.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,1985(1):77-886白敏麗.發(fā)動機(jī)活塞組一缸套整體耦合系統(tǒng)瞬態(tài)溫度場數(shù)值模擬.小型內(nèi)燃機(jī),1994(4): 12-177白敏麗.內(nèi)燃機(jī)傳熱全仿真模擬研究燃燒室部件耦合系統(tǒng)循環(huán)瞬態(tài)傳熱模型.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2000(1):1-58T. Morel and R. Keribar. A Model for Prediction Spatially and Time Resolved Convecti

13、ve Heat Transfer in Bowl-in-Piston Combustion Chambers. SAE Trans,Vol.94,Sec.2,8502049G C. Davis and C. Borgnakke. The Effect of In-Cylinder Flow Processes (Swirl, Squish and Turbulence Intensity) on Engine Efficiency-Model Predictions. SAE Trans, 91,Sec. 1,82004510R. D. Reltz and C. J. Rutland. 3-D

14、 Modeling of Diesel Engine Intake Flow Combustion and Emissions. SAE 91178911T. Morel and R. Keribar. Heat Radiation in DI Diesel Engine. SAE Paper,No.86044512L. Chang and K. T. Rhee. Computation of Radiation Heat Transfer in Diesel Combustion. SAE Paper, No. 8311322 13M, Chapman, M.C. Friedman and

15、A. Ahan,. A Time-dependent Spatial Model for Radiant Heat Transfer in Diesel Engines, SAE Paper, No.83172514俞小莉,沈瑜銘,沈曉雯.三維有限元法預(yù)算活塞工作溫度和應(yīng)力.內(nèi)燃機(jī)工程1999(3): 70-7315駱宗安,蘇海龍,張殿華,王國棟. 多功能熱力模擬實(shí)驗機(jī)的研究與開發(fā)J. 東北大學(xué)學(xué)報,2003,12:1181-1183. 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告設(shè)計方案：原始數(shù)據(jù)與技術(shù)要求：活塞直徑：110mm；活塞頂部傳入的熱量：；冷卻液流量：2050L/min可調(diào)；冷卻油流量：1030L/min可調(diào)；活塞溫度測量范圍：25500；活塞溫度測量精度：0.5；液體流量測量精度：實(shí)際值的0.1%；冷卻液與冷卻油的出口溫度可在6090的任一溫度點(diǎn)保持恒定。工作要求：1) 查閱資料，了解活塞的工作條件和零件的加熱方法；了解現(xiàn)代試驗裝置應(yīng)具備的功能和實(shí)現(xiàn)功能的手段，制定設(shè)計的技術(shù)路線，完成開題報告。2) 根據(jù)活塞的工作條件設(shè)計實(shí)驗裝置的結(jié)構(gòu)方案，模仿活塞工作時的運(yùn)動狀態(tài)和傳熱邊界；3) 對運(yùn)動