大功率船用柴油機活塞強度和疲勞壽命分析.pdf

1、隨著內燃機不斷向強化、增壓方向發(fā)展，內燃機熱負荷和機械負荷問題越來越引起人們的重視?；钊M的設計直接影響著柴油機性能、使用可靠性及耐久性。尤其是船用柴油機，船用柴油機的零部件尺寸相對很大，樣品試驗會耗費大量的人力和財力。因此，對船用柴油機及工作在惡劣環(huán)境下的零部件進行熱負荷、機械負荷以及熱負荷與機械負荷藕合的模擬計算以評估其可靠性，對于柴油機的開發(fā)過程來說是非常重要和有意義的。本文基于這種考慮，利用專業(yè)商用有限元分析軟件ABAQUS對低

2、速大功率船用柴油機活塞進行熱負荷、機械載荷以及熱-機械載荷作用下應力和變形的有限元分析以及疲勞壽命預測。
　　本文利用UG軟件繪出5S60柴油機活塞詳細準確的三維模型，運用HyperMesh軟件建立活塞組裝配體網(wǎng)格模型;對柴油機穩(wěn)定工作時活塞組的運動和受力進行數(shù)值分析，并在此基礎上運用ABAQUS進行機械載荷作用下的應力變形計算；利用AVLBOOST建立柴油機缸內燃燒過程仿真模型計算得出柴油機活塞頂面穩(wěn)定工況下的邊界溫度和換熱系數(shù)

3、；同時，根據(jù)活塞振蕩冷卻的形式而確定活塞與冷卻介質的換熱方式，根據(jù)經驗公式計算確定活塞側面與缸套側、活塞與冷卻介質之間的換熱系數(shù)。把計算得出的換熱系數(shù)和邊界溫度作為邊界條件，通過ABAQUS軟件計算得出活塞在柴油機穩(wěn)態(tài)運行時的溫度場分布。在得出合理溫度場的前提下，對活塞進行熱負荷作用下的應力變形分析。最后，利用ABAQUS分析軟件，對活塞進行熱-機耦合載荷作用下的強度分析；并運用nSoft軟件預測活塞工作時的疲勞壽命。本文在最終部分還分

4、析了螺栓裝配預緊力對活塞疲勞壽命的影響。
　　由活塞溫度場分析結果可知，活塞溫度最高的地方位于活塞頂面，最高可達432.8℃，具體位置位于活塞頭頂面的邊緣處，活塞第一環(huán)槽處的溫度為195.4℃，滿足設計要求；通過分析活塞的受熱、受力以及熱-機耦合情況，得到活塞內部的應力和變形分布，確定活塞內部變形過大主要是由熱負荷引起，綜合變形的最大值是1.054mm，最大變形出現(xiàn)在活塞頂面的邊緣處，符合活塞與氣缸之間的裝配要求；而應力集中以機械

5、載荷作用為主，最大應力為516.7MPa，分布在環(huán)形冷卻腔靠近活塞頭與活塞桿連接面的一側與振蕩冷卻孔的交匯處。預測活塞在沖擊載荷下的疲勞壽命，得出螺栓裝配預緊力越大對疲勞壽命的影響越大。由分析結果可知，在柴油機活塞組設計及裝配管理過程中，需要關注活塞與汽缸缸套之間的裝配間隙、活塞頂面表面一層材料的耐高溫性能、活塞受熱-機耦合載荷時出現(xiàn)應力集中的地方與振蕩冷卻孔的位置有關以及螺栓裝配預緊力的影響，以提高活塞工作可靠性，為柴油機進一步的強化