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基于热-机耦合强度分析的船用柴油机活塞结构轻量化设计
| 论文题名： | 基于热-机耦合强度分析的船用柴油机活塞结构轻量化设计 |
| 关键词： | 船用柴油机;活塞结构;轻量化设计;热-机耦合强度 |
| 摘要： | 随着柴油机经济性要求不断提高，零部件轻量化成为重要实现途径之一。活塞作为柴油机核心运动件，对其开展轻量化设计可有效降低柴油机整机重量，提高柴油机经济性。柴油机功率的不断提高，加剧了活塞热负荷和机械负荷，活塞破坏失效问题日益突出。因此在满足活塞强度前提下，活塞轻量化设计具有明显的科学研究价值。 本文采用流固耦合方法，对柴油机活塞温度场、热-机耦合应力场和变形量进行分析。针对某型号船用高功率中速柴油机活塞，开展结构强度分析和轻量化设计研究工作。活塞原型结构强度计算结果表明，该柴油机活塞最高温度位于活塞顶部棱台区域，活塞最大应力位于活塞顶部棱台边缘区域和振荡外腔薄壁区域，活塞最小安全系数为1.75。活塞部分区域应力较小，安全系数较高，可开展活塞轻量化设计。 本文轻量化设计包括两个途径：一是优化活塞裙部支撑臂、侧推肩部以及裙摆下侧区域，减薄三个区域壁厚。结果表明活塞减重12%，减重区域应力增大值小于30MPa，活塞应力最大值无明显变化，优化区域最小安全系数为2.4，满足设计要求；二是优化活塞顶振荡腔结构，增大振荡外腔高度并增加内腔上油管角度。结果表明活塞减重1.2%，振荡内腔顶部温度降低36K，火力面中心区域温度降低22K，优化效果显著。基于两种优化方案，对优化活塞进行疲劳校核，结果表明其疲劳寿命满足设计安全系数要求。 研究活塞顶壁厚对活塞强度的影响。结果表明，随着活塞顶壁厚增加，活塞顶最高温度升高，最大耦合应力减小，耦合变形增大；活塞顶壁厚变化对活塞顶中心区域热应力、机械应力，活塞顶凹坑区域热应力影响较大，对活塞顶凹坑区域机械应力影响较小。减薄活塞顶中心区域壁厚可有效降低活塞顶温度，增加壁厚可有效提高活塞顶中心区域、凹坑区域强度。 |
| 作者： | 高亮 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 成晓北 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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