大功率船用柴油機(jī)活塞強(qiáng)度和疲勞壽命分析.pdf

1、隨著內(nèi)燃機(jī)不斷向強(qiáng)化、增壓方向發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。活塞組的設(shè)計(jì)直接影響著柴油機(jī)性能、使用可靠性及耐久性。尤其是船用柴油機(jī)，船用柴油機(jī)的零部件尺寸相對(duì)很大，樣品試驗(yàn)會(huì)耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力。因此，對(duì)船用柴油機(jī)及工作在惡劣環(huán)境下的零部件進(jìn)行熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷以及熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷藕合的模擬計(jì)算以評(píng)估其可靠性，對(duì)于柴油機(jī)的開發(fā)過(guò)程來(lái)說(shuō)是非常重要和有意義的。本文基于這種考慮，利用專業(yè)商用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)低

2、速大功率船用柴油機(jī)活塞進(jìn)行熱負(fù)荷、機(jī)械載荷以及熱-機(jī)械載荷作用下應(yīng)力和變形的有限元分析以及疲勞壽命預(yù)測(cè)。
　　本文利用UG軟件繪出5S60柴油機(jī)活塞詳細(xì)準(zhǔn)確的三維模型，運(yùn)用HyperMesh軟件建立活塞組裝配體網(wǎng)格模型;對(duì)柴油機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)活塞組的運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行數(shù)值分析，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行機(jī)械載荷作用下的應(yīng)力變形計(jì)算；利用AVLBOOST建立柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程仿真模型計(jì)算得出柴油機(jī)活塞頂面穩(wěn)定工況下的邊界溫度和換熱系數(shù)

3、；同時(shí)，根據(jù)活塞振蕩冷卻的形式而確定活塞與冷卻介質(zhì)的換熱方式，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定活塞側(cè)面與缸套側(cè)、活塞與冷卻介質(zhì)之間的換熱系數(shù)。把計(jì)算得出的換熱系數(shù)和邊界溫度作為邊界條件，通過(guò)ABAQUS軟件計(jì)算得出活塞在柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分布。在得出合理溫度場(chǎng)的前提下，對(duì)活塞進(jìn)行熱負(fù)荷作用下的應(yīng)力變形分析。最后，利用ABAQUS分析軟件，對(duì)活塞進(jìn)行熱-機(jī)耦合載荷作用下的強(qiáng)度分析；并運(yùn)用nSoft軟件預(yù)測(cè)活塞工作時(shí)的疲勞壽命。本文在最終部分還分

4、析了螺栓裝配預(yù)緊力對(duì)活塞疲勞壽命的影響。
　　由活塞溫度場(chǎng)分析結(jié)果可知，活塞溫度最高的地方位于活塞頂面，最高可達(dá)432.8℃，具體位置位于活塞頭頂面的邊緣處，活塞第一環(huán)槽處的溫度為195.4℃，滿足設(shè)計(jì)要求；通過(guò)分析活塞的受熱、受力以及熱-機(jī)耦合情況，得到活塞內(nèi)部的應(yīng)力和變形分布，確定活塞內(nèi)部變形過(guò)大主要是由熱負(fù)荷引起，綜合變形的最大值是1.054mm，最大變形出現(xiàn)在活塞頂面的邊緣處，符合活塞與氣缸之間的裝配要求；而應(yīng)力集中以機(jī)械

5、載荷作用為主，最大應(yīng)力為516.7MPa，分布在環(huán)形冷卻腔靠近活塞頭與活塞桿連接面的一側(cè)與振蕩冷卻孔的交匯處。預(yù)測(cè)活塞在沖擊載荷下的疲勞壽命，得出螺栓裝配預(yù)緊力越大對(duì)疲勞壽命的影響越大。由分析結(jié)果可知，在柴油機(jī)活塞組設(shè)計(jì)及裝配管理過(guò)程中，需要關(guān)注活塞與汽缸缸套之間的裝配間隙、活塞頂面表面一層材料的耐高溫性能、活塞受熱-機(jī)耦合載荷時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方與振蕩冷卻孔的位置有關(guān)以及螺栓裝配預(yù)緊力的影響，以提高活塞工作可靠性，為柴油機(jī)進(jìn)一步的強(qiáng)化