全钢活塞的热机耦合仿真分析及疲劳寿命预测

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1、中北大学学位论文全钢活塞的热机耦合仿真分析及疲劳寿命预测摘要内燃机是当前世界上应用最为广泛的热动力装置，它使燃料在燃烧室中进行燃烧，释放热能，是将高温高压燃料气体本身的热能经连杆传递再通过曲柄转化成机械能进而产生动力的工业革命的产物。而活塞是整个内燃机工作环境最为严峻的一个零件，它受到高强度的机械负荷以及热负荷，活塞疲劳设计的好坏直接关系到内燃机的经济性、可靠性和使用寿命，所以对活塞进行热机耦合分析和疲劳寿命预测是很有必要的。本文是基于UG三维作图软件、ANSA前处理软件、ANSYS有限元分析软件以及Ncod

2、e-designlife疲劳寿命后处理软件，对活塞多轴应力下的机械应力、热应力和热机耦合进行研究，分析其变形和应力应变分布，并结合热机耦合的瞬态动力学分析对活塞的多轴疲劳寿命进行预测，同时还研究了活塞的低周热疲劳寿命。主要做了以下工作：（1）利用UG三维作图软件建立活塞连杆组的1/4三维模型，将模型导入到ANSA前处理软件中，进行网格划分，为了得到精确的分析结果，应对倒角、倒圆、小孔和第一环槽部位进行网格细化处理。（2）根据经验和半经验公式确定活塞第三类热边界条件，在ANSYS软件中将该边界条件施加到活塞有限

3、元模型上进行活塞稳态温度场计算，得到活塞的温度场、热流密度和温度梯度分布。（3）在求得温度场的基础上对活塞的热负荷进行仿真分析，并研究最大爆压时刻活塞的机械载荷，最后结合动力学，进行活塞热机耦合的瞬态分析，得到活塞的变形和应力应变分布。（4）运用临界平面法和活塞材料的E-N曲线，根据热机耦合瞬态动力学的分析结果，在Ncode-designlife疲劳软件中对活塞的多轴疲劳寿命进行预测；同时对活塞低周热疲劳进行寿命预测。通过以上的研究分析，得到了活塞工作的危险部位和疲劳寿命预测结果，为该设计活塞进一步减重设计提

4、供依据。关键词：活塞，温度场，热机耦合，疲劳寿命中北大学学位论文Thermal-mechanicalCouplingSimulationAnalysisandFatigueLifePredictionofaSteelPistonAbstractTheinternalcombustionengineiscurrentlytheworld’smostwidelyusedthermodynamicdevicewhichmakesthefuelburninginthecombustionchamberandrelea

5、singheatenergy.It’sanindustrialrevolutionproductthatmakestheheatenergyofthehightemperatureandpressurefuelgasitselftransferredbyacrankrodandthenturnedintomechanicalenergythroughthecranktogeneratepower.Asapartworkinginthemostsevereenvironmentoftheinternalcomb

6、ustionengine,pistonissubjectedhighintensitymechanicalloadsandheatloads,fatiguedesignofthepistonisdirectlyrelatedtotheinternalcombustionengine’seconomy,reliabilityandservicelife,soit’snecessarytoanalysisthethermal-mechanicalcouplingofthepistonandpredictthepi

7、ston’sfatiguelife.Thisarticlestudiedmechanicalstress,thermalstressandthermal-mechanicalcouplingunderthemultiaxialstressesforthepistonbasedonSiemensUGNXsoftware,pre-processingANSAsoftware,finiteelementanalysissoftwareANSYS,aswellasfatiguelifeNCODE-DESIGNLIFE

8、processingsoftware,analyzingit’sdeformationandthedistributionofstressandstrainfield.Inaddition,combiningtransientdynamicsanalysisonthermal-mechanicalcoupledtopredictthepiston’smultiaxialfatiguelife,att