天然气发动机活塞强度试验研究及有限元仿真

【摘要】：在全球石油能源危机和排放法规日益严格的背景下，天然气发动机应运而生。对大功率、增压天然气发动机而言，其燃烧室组件的工作环境非常恶劣，其中又以活塞为甚。在天然气发动机的工作过程中，活塞直接与缸内高温高压燃气接触，承受着剧烈的周期性变化的热负荷和机械负荷。作为发动机动力输出的关键零部件之一，活塞在如此恶劣的工作环境中易发生烧蚀、开裂等故障，严重影响发动机工作的稳定性与可靠性。本文依托YC6MK型天然气发动机试验台架和ANSYS workbench软件，从试验研究和有限元仿真计算两个方面，对活塞承受的热负荷和机械负荷进行了研究。 首先，搭建天然气发动机试验台架，测量活塞在标定工况下的温度场。 其次，运用Pro/E软件建立活塞的三维全尺寸模型，利用HyperMesh软件对活塞模型进行网格划分，并导入有限元分析软件ANSYS workbench中。然后根据示功图和经验公式计算出活塞的热边界条件，并与试验数据对比，最终计算得到较为准确的活塞稳态温度场。考虑到缸内高温燃气对活塞的热冲击，计算出活塞的瞬态温度场。 最后，在活塞稳态温度场的基础上求得活塞的热应力和热变形，并在考虑缸内燃气压力和活塞的往复惯性力的情况下，计算求得活塞在标定工况最大爆发压力点的机械应力和机械变形，最终，在热负荷和机械负荷的共同作用下，计算出活塞的热-机械耦合应力和变形。 通过对计算结果进行分析可以得出：YC6MK型天然气发动机活塞在标定工况下承受了较大的热负荷和机械负荷，第一环槽处温度偏高易导致润滑油焦结，产生积碳，活塞销座卡环槽处出现应力集中现象。 【关键词】：天然气发动机 活塞 温度场 试验研究 热-机械耦合分析
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK437
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 课题研究目的及意义10-11
• 1.3 国内外研究现状11-14
• 1.3.1 活塞温度场测量技术现状11-12
• 1.3.2 活塞的有限元数值仿真研究现状12-14
• 1.4 本文主要工作14-16
• 第2章 天然气发动机活塞温度场试验研究16-27
• 2.1 活塞温度场试验方法介绍16-19
• 2.1.1 常规方法16-18
• 2.1.2 非常规方法18-19
• 2.2 YC6MK375N-30 型 LNG 发动机性能试验台架介绍19-23
• 2.2.1 YC6MK375N-30 型 LNG 发动机19-20
• 2.2.2 台架试验设备20-23
• 2.3 硬度塞法测量活塞温度场试验23-27
• 2.3.1 试验前准备23-25
• 2.3.2 试验过程及结果25-27
• 第3章 活塞温度场仿真计算27-45
• 3.1 活塞热分析理论27-29
• 3.1.1 活塞导热微分方程27-28
• 3.1.2 热分析的三类边界条件28
• 3.1.3 活塞传热问题的有限元解法28-29
• 3.2 活塞的稳态温度场仿真计算29-40
• 3.2.1 活塞的材料参数29-30
• 3.2.2 活塞三维模型的建立30
• 3.2.3 活塞模型的网格划分30-31
• 3.2.4 稳态温度场分析的边界条件31-37
• 3.2.5 活塞稳态温度场计算及结果分析37-40
• 3.3 活塞的瞬态温度场仿真计算40-44
• 3.3.1 活塞瞬态温度场仿真的边界条件40-42
• 3.3.2 活塞瞬态温度场的计算结果42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 活塞的热-机械耦合仿真分析45-59
• 4.1 活塞应力有限元分析基本理论45-46
• 4.2 活塞热应力的仿真计算46-50
• 4.2.1 活塞热应力产生机理46-47
• 4.2.2 活塞热应力计算及分析47-50
• 4.3 活塞机械应力的仿真计算50-54
• 4.3.1 活塞机械负荷计算的边界条件50-52
• 4.3.2 活塞机械应力计算及分析52-54
• 4.4 活塞热-机械耦合应力的仿真计算54-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第5章 结论与展望59-62
• 5.1 全文总结59-60
• 5.2 后续工作展望60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-66
• 攻读硕士学位期间参加的科研活动66

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