天然氣發(fā)動機活塞強度試驗研究及有限元仿真

【摘要】：在全球石油能源危機和排放法規(guī)日益嚴格的背景下，天然氣發(fā)動機應運而生。對大功率、增壓天然氣發(fā)動機而言，其燃燒室組件的工作環(huán)境非常惡劣，其中又以活塞為甚。在天然氣發(fā)動機的工作過程中，活塞直接與缸內高溫高壓燃氣接觸，承受著劇烈的周期性變化的熱負荷和機械負荷。作為發(fā)動機動力輸出的關鍵零部件之一，活塞在如此惡劣的工作環(huán)境中易發(fā)生燒蝕、開裂等故障，嚴重影響發(fā)動機工作的穩(wěn)定性與可靠性。本文依托YC6MK型天然氣發(fā)動機試驗臺架和ANSYS workbench軟件，從試驗研究和有限元仿真計算兩個方面，對活塞承受的熱負荷和機械負荷進行了研究。 首先，搭建天然氣發(fā)動機試驗臺架，測量活塞在標定工況下的溫度場。 其次，運用Pro/E軟件建立活塞的三維全尺寸模型，利用HyperMesh軟件對活塞模型進行網格劃分，并導入有限元分析軟件ANSYS workbench中。然后根據示功圖和經驗公式計算出活塞的熱邊界條件，并與試驗數據對比，最終計算得到較為準確的活塞穩(wěn)態(tài)溫度場?？紤]到缸內高溫燃氣對活塞的熱沖擊，計算出活塞的瞬態(tài)溫度場。 最后，在活塞穩(wěn)態(tài)溫度場的基礎上求得活塞的熱應力和熱變形，并在考慮缸內燃氣壓力和活塞的往復慣性力的情況下，計算求得活塞在標定工況最大爆發(fā)壓力點的機械應力和機械變形，最終，在熱負荷和機械負荷的共同作用下，計算出活塞的熱-機械耦合應力和變形。 通過對計算結果進行分析可以得出：YC6MK型天然氣發(fā)動機活塞在標定工況下承受了較大的熱負荷和機械負荷，第一環(huán)槽處溫度偏高易導致潤滑油焦結，產生積碳，活塞銷座卡環(huán)槽處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。 【關鍵詞】：天然氣發(fā)動機 活塞 溫度場 試驗研究 熱-機械耦合分析
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TK437
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-16
• 1.1 課題研究背景9-10
• 1.2 課題研究目的及意義10-11
• 1.3 國內外研究現(xiàn)狀11-14
• 1.3.1 活塞溫度場測量技術現(xiàn)狀11-12
• 1.3.2 活塞的有限元數值仿真研究現(xiàn)狀12-14
• 1.4 本文主要工作14-16
• 第2章 天然氣發(fā)動機活塞溫度場試驗研究16-27
• 2.1 活塞溫度場試驗方法介紹16-19
• 2.1.1 常規(guī)方法16-18
• 2.1.2 非常規(guī)方法18-19
• 2.2 YC6MK375N-30 型 LNG 發(fā)動機性能試驗臺架介紹19-23
• 2.2.1 YC6MK375N-30 型 LNG 發(fā)動機19-20
• 2.2.2 臺架試驗設備20-23
• 2.3 硬度塞法測量活塞溫度場試驗23-27
• 2.3.1 試驗前準備23-25
• 2.3.2 試驗過程及結果25-27
• 第3章 活塞溫度場仿真計算27-45
• 3.1 活塞熱分析理論27-29
• 3.1.1 活塞導熱微分方程27-28
• 3.1.2 熱分析的三類邊界條件28
• 3.1.3 活塞傳熱問題的有限元解法28-29
• 3.2 活塞的穩(wěn)態(tài)溫度場仿真計算29-40
• 3.2.1 活塞的材料參數29-30
• 3.2.2 活塞三維模型的建立30
• 3.2.3 活塞模型的網格劃分30-31
• 3.2.4 穩(wěn)態(tài)溫度場分析的邊界條件31-37
• 3.2.5 活塞穩(wěn)態(tài)溫度場計算及結果分析37-40
• 3.3 活塞的瞬態(tài)溫度場仿真計算40-44
• 3.3.1 活塞瞬態(tài)溫度場仿真的邊界條件40-42
• 3.3.2 活塞瞬態(tài)溫度場的計算結果42-44
• 3.4 本章小結44-45
• 第4章 活塞的熱-機械耦合仿真分析45-59
• 4.1 活塞應力有限元分析基本理論45-46
• 4.2 活塞熱應力的仿真計算46-50
• 4.2.1 活塞熱應力產生機理46-47
• 4.2.2 活塞熱應力計算及分析47-50
• 4.3 活塞機械應力的仿真計算50-54
• 4.3.1 活塞機械負荷計算的邊界條件50-52
• 4.3.2 活塞機械應力計算及分析52-54
• 4.4 活塞熱-機械耦合應力的仿真計算54-57
• 4.5 本章小結57-59
• 第5章 結論與展望59-62
• 5.1 全文總結59-60
• 5.2 后續(xù)工作展望60-62
• 致謝62-63
• 參考文獻63-66
• 攻讀碩士學位期間參加的科研活動66

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