柴油机活塞铝合金材料烧蚀规律研究

《柴油机活塞铝合金材料烧蚀规律研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、中图分类号：TK422UDC分类号：621柴油机活塞铝合金材料烧蚀规律研究作者姓名秦朝举学院名称机械与车辆学院指导教师张卫正教授答辩委员会主席廖日东教授申请学位工学博士学科专业动力机械及工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月柴油机活塞铝合金材料烧蚀规律研究秦朝举2015年6月InvestigationsonaluminumalloyablationfordieselenginepistonsCandidateName：ZhaojuQinSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFacul

2、tyMentor:Prof.WeizhengZhangChair,ThesisCommittee：Prof.RidongLiaoDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：PowerMachineEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或

3、撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要随着柴油机强化水平的不断提高，活塞等零部件所受到的热负荷等问题日益突出，容易产生烧蚀失效等现象的发生，严重影响着柴油机正常可靠的工作。为了揭示铝合金材料烧蚀失效现象的物理本质，本文对活塞用铝合金材料试件进行了烧蚀试验，根据试验结果进行了铝合金材料烧蚀机理分析和烧蚀模型建立，针对铝合金试件进行了烧蚀模拟计算研究，与试验结

4、果对比验证了烧蚀模型的正确性；活塞烧蚀涉及到的因素较多，为得到活塞的烧蚀规律，采用简化的烧蚀计算方法对活塞在工作中经常出现的异常工况所引起的烧蚀失效现象进行了模拟分析，同时，对氧化铝纤维增强铝硅基复合材料和硼酸铝晶须增强铝硅基复合材料进行烧蚀测试与分析，并就氧化铝纤维局部增强铝硅基复合材料活塞的抗烧蚀性能进行了模拟计算分析；最后，对铝合金材料烧蚀失效评估方法进行了研究。利用火焰加热器、试验仪器和设备，建立了能模拟活塞材料在高温高速气流冲刷条件下的烧蚀试验装置，利用铝合金试件进行烧蚀试验研究。分析得到试件表面温度对于试件的质量烧蚀率影响最显著

5、，气流冲刷角度、燃气速度对质量烧蚀率的影响则依次减弱，但后两个因素的影响差距不大，得出试件的质量烧蚀率与各影响因素的关系曲线；并对试件烧蚀后的表面、截面形貌及材料成分进行了分析。根据铝合金试件的烧蚀试验及结果分析，对铝合金材料的烧蚀机理进行了研究，研究结果表明，铝合金材料在高速高温燃气的作用下，首先使具有较高硅含量的共晶结构成分最先达到熔点，熔化后体积膨胀，体积膨胀引起的体积增加部分将被挤出并以颗粒状附着在试件的表面，同时试件表层熔点较低的成分熔化后和挤出的颗粒物质一起在高速燃气流的气动剪力的作用下被很快吹除，形成了材料的熔化烧蚀。试件表层

6、熔点较低的成分熔化后和挤出的颗粒物质被冲刷去除后，其它主要物质仍留在试件表面，当表面粗糙度达到临界值时，高温高速的燃气流产生的强大剪切力作用于突起的材料部分，最终导致突起的材料部分发生失效被高速燃气流吹走，造成材料的机械剥蚀。铝合金材料的烧蚀问题是一个复杂的多重耦合问题，基于铝合金材料的烧蚀过程和机理的分析，铝合金材料质量的损失应由三部分组成：熔化液体挤出部分损失、表面熔化材料损失和表面气流剥蚀损失，建立了铝合金材料烧蚀模型，包括了熔化烧蚀I北京理工大学博士学位论文和气流剥蚀两方面的影响机制。对试验烧蚀系统进行了几何建模，利用FLUENT软

7、件对烧蚀试验系统试验段内流场进行了数值模拟，获取烧蚀试验系统内流场在烧蚀试件壁面上的对流换热系数等参数；然后将这些参数作为边界条件，采用差分数值计算方法对试件烧蚀温度场进行求解，并运用所建的铝合金材料烧蚀模型，对铝合金试件进行了烧蚀计算，计算得到的结果与试验结果较吻合，表明所建的铝合金材料烧蚀模型及试件的烧蚀计算方法可以很好的对试件的烧蚀进行预示。针对某型高强化柴油机活塞在运行中经常出现的近壁燃烧所引起的烧蚀失效现象进行分析，选择合适的计算模型，利用软件AVLFIRE对该型柴油机进行燃烧模拟计算，进而确定该型柴油机在活塞烧蚀工况下活塞顶面的

8、热边界条件；并采用简化的烧蚀计算模型及计算方法对活塞烧蚀失效现象进行模拟计算，得到了活塞传热烧蚀比较全面详细的结果；同时对冷却油腔结焦工况下引起的活塞烧蚀现象进行了模拟分析，以上