熱沖擊問題的理論研究及其在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用.pdf

1、發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中活塞熱負(fù)荷的重要特征之一是沖擊性，這種熱沖擊載荷也是造成活塞熱損傷的主要原因。為深入了解熱沖擊對(duì)活塞熱狀態(tài)的影響作用，為探明活塞熱損傷的機(jī)理奠定基礎(chǔ)，本文應(yīng)用傳熱學(xué)和熱彈性理論，開展了熱沖擊下受熱構(gòu)件熱狀態(tài)變化規(guī)律的理論研究，針對(duì)不同構(gòu)件材料、初始溫度以及沖擊載荷性質(zhì)，分析討論了弛時(shí)間、動(dòng)力學(xué)及溫度-應(yīng)變耦合效應(yīng)對(duì)構(gòu)件熱狀態(tài)的影響。在此研究基礎(chǔ)上，通過合理的模型簡(jiǎn)化，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和其它突變負(fù)荷工況下活塞的熱沖擊狀態(tài)進(jìn)行了

2、數(shù)值仿真，從理論上探討了啟動(dòng)溫度、失火現(xiàn)象以及突卸負(fù)荷等因素對(duì)活塞熱狀態(tài)的影響。另外還結(jié)合熱沖擊模擬試驗(yàn)技術(shù)中現(xiàn)存的問題，開展了利用計(jì)算機(jī)圖像處理方法進(jìn)行燃燒火焰溫度和表面熱疲勞裂紋在線檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)工作。 為了研究松弛時(shí)間對(duì)構(gòu)件熱沖擊過程的影響，選擇半無限體為物理對(duì)象，采用Laplace變換及羅朗展開方法求解了典型的通用熱彈性理論模型─Green and Lindsay（GL）模型，獲得了階躍熱沖擊載荷下構(gòu)件熱狀態(tài)（模擬實(shí)際過

3、程中構(gòu)件被快速加熱情況）的解析解。分析研究表明：（1）、考慮松弛時(shí)間后構(gòu)件受熱沖擊的影響區(qū)域變大，其內(nèi)部溫度再次達(dá)到平衡所需時(shí)間增加；（2）、熱沖擊載荷強(qiáng)度和材料的導(dǎo)熱能力直接影響松弛時(shí)間效應(yīng)，載荷強(qiáng)度越大，導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，松弛時(shí)間效應(yīng)越強(qiáng)；（3）、熱激勵(lì)的持續(xù)時(shí)間越短，松弛時(shí)間效應(yīng)越明顯。 其次在假設(shè)可以忽略松弛時(shí)間效應(yīng)的前提下，重點(diǎn)研究了熱沖擊下彈性體的動(dòng)力學(xué)耦合效應(yīng)對(duì)其熱狀態(tài)的影響。選擇大平板為物理對(duì)象，采用順序模型、準(zhǔn)靜態(tài)

4、耦合模型以及經(jīng)典動(dòng)力學(xué)耦合模型分別進(jìn)行了求解，對(duì)比分析了彈性體純動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、純耦合效應(yīng)以及動(dòng)力學(xué)耦合效應(yīng)對(duì)熱沖擊過程的影響，進(jìn)行了不同形式?jīng)_擊載荷下平板熱狀態(tài)的模擬。仿真結(jié)果表明：（1）、隨著熱沖擊持續(xù)時(shí)間的增加，平板熱狀態(tài)逐漸趨于平衡，其中耦合效應(yīng)對(duì)平板溫度、熱應(yīng)力的影響逐漸減弱，動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)平板溫度的影響減弱，而對(duì)平板熱應(yīng)力的影響在全過程中都比較顯著；（2）、慣性項(xiàng)會(huì)抑制熱應(yīng)力的增加，其對(duì)熱應(yīng)力的影響范圍可以遍及整塊平板。因此進(jìn)行熱

5、沖擊研究時(shí)，不能忽 略慣性項(xiàng)的影響；（3）、邊界約束條件以及沖擊初始階段直接影響平板內(nèi)溫度－熱應(yīng)力的大小。 在上述理論研究的基礎(chǔ)上，不考慮松弛時(shí)間以及耦合效應(yīng)的影響，借助有限元軟件ANSYS開展了低周熱沖擊下活塞熱狀態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真研究。重點(diǎn)研究不同載荷模式和不同初始溫度對(duì)活塞熱狀態(tài)的影響，討論適用于低周熱沖擊模擬的邊界條件的載荷模式，研究材料的物性參數(shù)的溫度非線性對(duì)活塞溫度、熱應(yīng)力分布的影響。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了低溫起動(dòng)時(shí)缸內(nèi)失

6、火和突減工況下活塞熱狀態(tài)的有限元模擬。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：（1）、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)初期，熱沖擊初期活塞的熱應(yīng)力呈現(xiàn)較強(qiáng)的的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，且起動(dòng)溫度越低，活塞內(nèi)溫度升高率越大，熱應(yīng)力越大；（2）、在發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)過程中，對(duì)于熱沖擊載荷的施加，可以不考慮單個(gè)工作循環(huán)中燃?xì)鉁囟鹊牟▌?dòng)，對(duì)于冷卻水溫不斷升高現(xiàn)象，可以使用分段平均的矩形波來模擬，這樣可以保證在計(jì)算量比較小的情況下獲得與與實(shí)際情況相符的仿真結(jié)果；（3）、突然停機(jī)工況（無后冷卻）下活塞內(nèi)熱狀態(tài)變