活塞的三维稳态热分析及热强度计算

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PA6/280某型柴油机设计指标是单缸功率由350kW提高至400kW,单缸功率的提高必然增加活塞热负荷。活塞作为发动机核心部件,它的设计是否合理直接关系到内燃机可靠性、寿命、经济性等。因此,对该型柴油机活塞进行热及强度计算,分析活塞内部温度场、热应力场的分布情况,从而为解决工程技术中由于受热件温度过高造成的零件破坏问题提供理论依据。在此基础上期望对未来的发动机早期设计方面作一些有益的探索,减少盲目设计和实验成本。 PA6/280某型柴油机活塞是组合式结构,因此计算中采用序贯耦合方法对温度场、热应力场进行求解。应用Pro/E进行建模,通过有限元计算得到活塞三维稳态温度场。对活塞顶边界条件的确定上,以Seal-Taylor公式及其实验数据为依据通过数值拟和的方法提出适用于280mm缸径活塞顶换热系数的分布函数。考虑到活塞的组合式结构,因此对连接螺栓、间隔套和定位销的温度场也做了分析。在PA6/280某型柴油机活塞三维稳态温度场数值模拟的基础上,进一步对该型活塞进行热应力分析。在分析中各组件采用耦合分析,最终得到了包括活塞头部、活塞体、连接螺栓、间隔套、定位棒等部件的热应力及热变形的分布情况。 活塞热分析结果表明:(1)活塞燃烧室喉口处温度值最高,达到420℃。外冷却腔局部温度过高,高温处达到343℃。第一道环槽温度140.4℃,在允许范围内。活塞其它部位温度值均在允许范围内。(2)热应力最大值出现在燃烧室喉口、吊装口处,最大值355.9MPa。其它部位热应力值均在允许范围内。(3)由热引起的活塞头部、裙部变形量经计算均在设计变形量范围内。 为了降低活塞温度、改善活塞受热状况,在边界条件不变的情况下分别计算冷却油温度90℃、100℃、110℃下活塞温度场分布。计算结果表明降低冷却油温可有效降低活塞温度。因此,降低冷却油温度是有效改善活塞受热状况的方法之一。
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