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原文传递大功率船用柴油机活塞强度和疲劳寿命分析

论文题名：	大功率船用柴油机活塞强度和疲劳寿命分析
关键词：	船用柴油机;活塞强度;疲劳寿命;机械载荷
摘要：	随着内燃机不断向强化、增压方向发展，内燃机热负荷和机械负荷问题越来越引起人们的重视。活塞组的设计直接影响着柴油机性能、使用可靠性及耐久性。尤其是船用柴油机，船用柴油机的零部件尺寸相对很大，样品试验会耗费大量的人力和财力。因此，对船用柴油机及工作在恶劣环境下的零部件进行热负荷、机械负荷以及热负荷与机械负荷藕合的模拟计算以评估其可靠性，对于柴油机的开发过程来说是非常重要和有意义的。本文基于这种考虑，利用专业商用有限元分析软件ABAQUS对低速大功率船用柴油机活塞进行热负荷、机械载荷以及热-机械载荷作用下应力和变形的有限元分析以及疲劳寿命预测。　　本文利用UG软件绘出5S60柴油机活塞详细准确的三维模型，运用HyperMesh软件建立活塞组装配体网格模型;对柴油机稳定工作时活塞组的运动和受力进行数值分析，并在此基础上运用ABAQUS进行机械载荷作用下的应力变形计算；利用AVLBOOST建立柴油机缸内燃烧过程仿真模型计算得出柴油机活塞顶面稳定工况下的边界温度和换热系数；同时，根据活塞振荡冷却的形式而确定活塞与冷却介质的换热方式，根据经验公式计算确定活塞侧面与缸套侧、活塞与冷却介质之间的换热系数。把计算得出的换热系数和边界温度作为边界条件，通过ABAQUS软件计算得出活塞在柴油机稳态运行时的温度场分布。在得出合理温度场的前提下，对活塞进行热负荷作用下的应力变形分析。最后，利用ABAQUS分析软件，对活塞进行热-机耦合载荷作用下的强度分析；并运用nSoft软件预测活塞工作时的疲劳寿命。本文在最终部分还分析了螺栓装配预紧力对活塞疲劳寿命的影响。　　由活塞温度场分析结果可知，活塞温度最高的地方位于活塞顶面，最高可达432.8℃，具体位置位于活塞头顶面的边缘处，活塞第一环槽处的温度为195.4℃，满足设计要求；通过分析活塞的受热、受力以及热-机耦合情况，得到活塞内部的应力和变形分布，确定活塞内部变形过大主要是由热负荷引起，综合变形的最大值是1.054mm，最大变形出现在活塞顶面的边缘处，符合活塞与气缸之间的装配要求；而应力集中以机械载荷作用为主，最大应力为516.7MPa，分布在环形冷却腔靠近活塞头与活塞杆连接面的一侧与振荡冷却孔的交汇处。预测活塞在冲击载荷下的疲劳寿命，得出螺栓装配预紧力越大对疲劳寿命的影响越大。由分析结果可知，在柴油机活塞组设计及装配管理过程中，需要关注活塞与汽缸缸套之间的装配间隙、活塞顶面表面一层材料的耐高温性能、活塞受热-机耦合载荷时出现应力集中的地方与振荡冷却孔的位置有关以及螺栓装配预紧力的影响，以提高活塞工作可靠性，为柴油机进一步的强化设计提供理论依据。
作者：	黎聪
专业：	机械设计及理论
导师：	刘忠民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	杭州电子科技大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文