基于温度场试验的铝合金活塞疲劳寿命预测研究

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活塞是发动机的关键零件之一,工作中受到周期性变化的燃气压力、往复惯性力、侧向压力、销座支反力和摩擦力等机械载荷的作用;同时活塞顶部温度较高且分布不均匀,存在很大的热应力。在机械负荷与热负荷的共同作用下产生热-机耦合应力,容易产生疲劳失效。针对上述问题,本文以ML142铝合金活塞为研究对象,采用有限元软件ANSYS模拟分析了两种最高燃烧压力的活塞温度场及热-机耦合应力,基于疲劳分析理论使用疲劳分析软件MSC.Fatigue预测了两种最高燃烧压力的活塞疲劳寿命。运用一维性能分析软件AVL boost模拟气缸内随曲轴转角变化的燃气温度及传热系数的变化规律,并求得燃气平均换热系数和平均温度;采用经验公式分别计算了活塞与冷却液、内冷油腔之间的换热系数,得到了活塞的热边界条件。运用Pro/ENGINEER软件建立活塞三维实体模型,导入有限元软件ANSYS后,对活塞模型进行有限元离散化处理,在有限元模型上施加热边界条件,求解得到两种最高燃烧压力的活塞温度场。同时与采用热电偶的方法试验测试的一种最高燃烧压力的活塞温度场作对比分析,从而验证有限元数值模拟温度场的准确程度。运用有限元软件ANSYS,在保证热和结构单元具有相同的节点数的前提下,设置活塞热-机耦合的位移边界条件和接触边界条件,采用顺序耦合法将活塞温度载荷和机械载荷加载到活塞模型上,求解两种最高燃烧压力的活塞热-机耦合应力,分析了活塞的最大应力部位和危险结构部位。将活塞的热-机耦合应力导入疲劳分析软件MSC.Fatigue中,编制活塞在各工况下的载荷谱,拟合不同温度条件下活塞材料的S N曲线,设置材料的屈服极限和杨氏模量,选择活塞的等效应力为Von Mises应力,得到活塞在两种最高燃烧压力的疲劳寿命预测结果。
摘要第4-5页
Abstract第5-6页
1 绪论第10-18页
    1.1 研究背景及意义第10-11页
        1.1.1 选题背景和依据第10页
        1.1.2 研究目的和意义第10-11页
    1.2 国内外研究现状第11-15页
        1.2.1 活塞有限元国内外研究现状第11-14页
        1.2.2 活塞疲劳国内外研究现状第14-15页
    1.3 本文研究内容第15-18页
2 热-机耦合及疲劳寿命预测理论第18-34页
    2.1 有限元的基础理论第18-24页
        2.1.1 有限元介绍第18-24页
        2.1.2 导热微分方程第24页
    2.2 活塞温度场第24-27页
        2.2.1 稳态温度场第25-26页
        2.2.2 温度场的边界条件第26-27页
    2.3 活塞的热-机耦合第27-28页
    2.4 疲劳寿命预测第28-33页
        2.4.1 疲劳的基本概念第28-29页
        2.4.2 疲劳寿命分析的理论依据第29-30页
        2.4.3 疲劳寿命预测的基本信息第30-31页
        2.4.4 疲劳寿命估算方法第31页
        2.4.5 影响疲劳寿命的因素第31-32页
        2.4.6 影响疲劳寿命的因素第32-33页
    2.5 本章小结第33-34页
3 基于试验测试的活塞温度场分析第34-51页
    3.1 活塞材料的物理特性第34页
    3.2 活塞几何模型的建立第34-36页
    3.3 活塞模型的离散化第36-37页
    3.4 活塞温度场的热边界条件第37-44页
        3.4.1 活塞温度场的燃气边界条件第37-40页
        3.4.2 活塞与冷却液之间的换热系数第40-43页
        3.4.3 活塞内冷油腔的换热系数第43-44页
    3.5 活塞的温度场计算第44-47页
    3.6 活塞的温度场测试结果及与计算结果对比第47-49页
    3.7 本章小结第49-51页
4 活塞的热-机耦合分析第51-58页
    4.1 活塞热-机耦合分析边界条件第51-54页
        4.1.1 活塞热-机耦合分析的位移边界条件第51页
        4.1.2 活塞热-机耦合分析的接触边界条件第51页
        4.1.3 活塞热-机耦合分析的载荷边界条件第51-54页
    4.2 分析活塞热-机耦合分析计算结果第54-57页
    4.3 本章小结第57-58页
5 活塞的疲劳寿命预测第58-67页
    5.1 载荷谱编制第59-60页
    5.2 不同温度条件下活塞材料高温疲劳性能第60-62页
    5.3 考虑温度修正的活塞疲劳寿命预测第62-65页
    5.4 本章小结第65-67页
6 总结与展望第67-70页
    6.1 总结第67-68页
    6.2 展望第68-70页
参考文献第70-74页
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果第74-75页
致谢第75页
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