活塞热负荷模拟实验机设计开题报告

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1、活塞热负荷模拟实验机设计毕业设计开题报告1．选题依据：一．本课题研究的背景和目的意义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[1]。活塞作为内燃机的核心零部件之一,其所处的工作环境十分恶劣,在工作中不仅要承受高压燃气压力、惯性力、侧压力和摩擦力等周期性机械载荷作用,而且要承受高温燃气的热负荷作用,这些载荷将导致活塞产生开裂、活塞环胶结、卡环和拉缸等破坏。合理的结构可提高活塞的可靠性、耐久性,满足柴油机排放法规要求以及降低

2、生产制造成本[2]。柴油机的不断强化,柴油机热负荷不断升高,作为柴油机关键零部件的活塞,其热负荷也不断提高,活塞的热负荷研究成为柴油机性能优化研究中一个非常重要的研究方向【3】。现代新型柴油机广泛地应用于运输、载重卡车、工程机械等领域,其关键零部件之一一活塞面临着日益提高的热负荷与机械负荷的共同作用。【4】目前,国外柴油机的最大爆发压力已达到22MPa以上,国内柴油机也已达到17MPa左右。同时,热负荷也在不断提升,铝合金活塞的承载能力几乎达到了极限状态,如此恶劣的工作条件容易引起活塞的疲劳失效破坏。因此,针对活塞的疲劳破坏开展课题研究,在设计开发阶段采取适当的预防措施,是非常必

3、要的【4】。二．国内外的研究发展现状柴油机活塞的热负荷研究,主要包括活塞温度场与热应力分析研究,通过试验测量或仿真分析计算得出活塞的温度场验测量或仿真分析计算得出活塞的温度场,然后根据温度场分布结果,计算热应力分布情况,其中关键的是求出活塞的温度场分布,这属于柴油机的传热研究。在柴油机传热研究方向,主要分为活塞的传热、燃烧室稱合传热、整机研究。在柴油机传热研究方向,主要分为活塞的传热、燃烧室稱合传热、整机親合传热等;根据传热条件还分为稳态传热和瞬态传热等。浙江大学严兆大教授针对活塞的热负荷进行了深入的探讨研究。在试验研究方面,对活塞进行了热冲击实验,测量了活塞在低周波和高周波冲击

4、情况下的温度场分布。并进行了活塞在低周波和高周波热冲击下的有限元仿真分析,得到了活塞在相应环境下的温度场及热应力场分布。在研究过程中,还考虑了气赶内福射换热影响,并进行了深入的探讨研究[5]。大连理工大学白敏丽教授对柴油机活塞负荷进行了热机械稱合分析研究。将柴油机燃烧室的相关部件,如汽社头、活塞、活塞环、社套及活塞销等部件进行了组合建模分析,对活塞组件的稳态温度场及热应力分布情况进行了研究。并对活塞和气缸套的稱合模型进行接触单元处理,进行了二维和三维的瞬态温度场分析,得到了关键部位的温度变化曲线[6][7]。国外在发动机热负荷方面的研究要更早,从1923年W.Nuselt研究煤气

5、机虹内传热与热负荷问题,1929年埃希尔伯格对大型中低速二冲程船用柴油机进行燃烧室传热与热负荷问题研究,到1965年GWoshni对四冲程型柴油机进行瞬态传热与热负荷问题研究,再到现在柴油机领域相关研究人员对柴油机进行整机热负荷仿真计算模拟研究等,柴油机热负荷问题研究历史经过将近一个世纪的发展历程,科研工作者在柴油机热负荷问题研究方面取得了丰硕的理论成果。经过不懈努力和不断积累,在20世纪,国外科学家和发动机厂商总结推导得出了许多关于发动机传热与热负荷计算的经验公式和半经验公式,并在柴油机热负荷计算分析中得到广泛的应用[8][9][10]11]。美国Wisconsin大学Madi

6、son分校的研究工作人员对发动机燃烧室及活塞的传热与热负荷进行了研究,在研究过程中,将有限差分法进行了结合利用,对虹内传热及活塞热负荷进行了瞬态仿真分析。在建立仿真模型的过程中,全面考虑了气虹盖、活塞、活塞环、气赶套及紅套壁面的润滑油膜等,并通过专门编写程序来进行燃烧室部件的传热与热负荷仿真,使得虹内传热与热负荷模拟分析的准确精度得到了很大的提高【12-13】浙江大学俞小莉教授针对活塞热负荷引起的活塞热疲劳破坏问题进行了深入的分析研究。在试验研究方面,设计了专门的活塞热疲劳试验研究台架,并在设计试验台架时,应用了现代控制技术对活塞热疲劳模拟试验的自动控制系统进行设计制作,结合PL

7、C控制技术对热疲劳试验进行了自动控制。模拟试验台架设计中,采用了一种先进的活塞加热模块,对活塞的热疲劳过程进行了更接近实际的模拟,比较准确的测量得到了活塞在热疲劳过程中的温度场分布情况,并将试验测量所得的温度场与有限元方法仿真模拟得到的温度场进行了对武汉理工大学硕士学比分析,验证了此方法的可信性。俞小莉老师对活塞的热负荷情况进行了比较细致的研究,利用有限元商用软件研究了柴油机燃烧室形状对活塞热负荷情况的影响,并仿真计算得到了活塞的温度场和热应力分布情况。在仿真分析研究方面,研究了