内燃机活塞裙部减磨降阻仿生形态设计与研究

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2、PistonSkirt————————————作者姓名：吴波专业名称：农业工程(仿生科学与工程)研究方向：生物仿生工程与技术指导教师：丛茜教授学位类别：工学博士培养单位：生物与农业工程学院论文答辩日期：2015年11月30日授予学位日期：2015年12月日论文评阅人：答辩委员会组成：姓名职称工作单位主席姓名职称工作单位盲审专家正高级浙江大学委员杨建东教授吉林工商学院盲审专家正高级西南大学任露泉教授吉林大学盲审专家正高级中国农业大学藏宏瑛教授东北师范大学盲审专家副高级上海交通大学丛茜教授吉林大学盲审专家正高级山西农业

3、大学刘镇宁教授吉林大学未经本论文作者的书面授权，化法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学博±学位论文原创性声明本人郑重声明，：所呈交学位论文是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本。文的研究做出

4、重要贡献的个人和集体，均已在文中Ｗ明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名；日期；２０１５年１１月３０日论文题目：内燃机活塞裙部减磨降阻仿生形态设计与研究专业名称：仿生科学与工程指导教师：丛茜教授摘要活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过多年不断完善优化，技术已经十分成熟。汽车作为人们日常生活中最重要和最普遍的交通运输工具，已然成为内燃机市场的最大消耗源。内燃机燃烧总能量的15%损耗在机械运动中，而其中很大一部分损耗由摩擦引起，活塞-缸套系统摩擦副产生的摩擦功耗可高达

5、整个内燃机摩擦损耗的50%左右。本研究考虑到巨大的内燃机使用量，即使将活塞-缸套系统的摩擦损耗降低很小幅度，也可以对减少能源消耗和改善环境产生较大影响。故将研究重点放在活塞-缸套系统的减阻、耐磨上。生物界中很多物种在千万年的进化中形成了减阻、耐磨的体表形态，本文拟选取运动形式最接近活塞缸套系统的仿生原型，针对减小活塞缸套系统间的摩擦、磨损和散热、增润，设计仿生形态于活塞裙部上，以提高内燃机的整机可靠性和稳定性。蚯蚓在土壤中的穿梭运动与活塞在缸套中的往复运动十分相似，均为较软材质与较硬材质间的固固接触摩擦。贝壳在泥沙

6、中冲蚀与活塞在缸套内运动情况亦类似，均为固固接触且接触面存在润滑液体。本文将蚯蚓和贝壳做为仿生原型，将它们体表的减阻耐磨形态加工于活塞裙部表面，以达到减小磨损、摩擦和摩擦热的目的。本文首先对标准活塞采用逆向工程技术进行建模，然后根据受试内燃机活塞连杆总成相关参数，进行二阶动力学和热力学数学模型分析。参考内燃机十五工况标准，借鉴前人研究成果，根据本文设计重点，选定三种工况作为后续分析基础。将上述计算结果作为活塞热-机耦合有限单元分析边界条件，提取活塞正常工况下的应力、应变和变形情况。根据标准活塞热-机耦合有限单元分析

7、结果，结合仿生原型表面的减阻形态，在活塞裙部设计了两种仿生形态即仿生横条纹形和仿生竖凹槽形。仿生横条纹形活塞根据蚯蚓体表形态进行设计，横条纹沿活塞轴向加工，距离应力较集中的活塞顶越近条纹深宽越大、间距越大，根据正交表制定三水平三因素试验方案，三因素为条纹排布形式、条纹深度、条纹宽度，每个因素均包含三个水平。仿生竖凹槽形活塞根据毛蚶壳表形态进行设计，竖凹槽沿活塞裙部轴向贯穿设计，根据正交表制定三水平三因素试验方案，三因素为凹槽分布类型、凹槽深宽、凹槽间距，每个因素均包含三个水平。对两组仿生活塞进行热-机耦合分析，并将

8、活塞各个部位最大应力与标准活塞进行对比，仿生横条纹形活塞，对于距离仿生形态较远且高温区域应力的卸载条纹内打孔排布效果最佳，对于距离仿生形态较近且应力较集中的区域条纹形排布使集中应力更小。仿生竖凹槽形活塞，对于距离仿生形态较远且高温区域应力的卸载宽凹槽间夹窄凹槽排布、大深宽、小间距效果最佳，对于距离仿生形态较近且应力较集中的区域凹槽形排布、大深宽、中等间距使集