论文部分内容阅读
功能梯度材料活塞是一种新型活塞。从“低散热发动机”角度来讲,这种梯度热障涂层活塞可以提高活塞顶部的温度,能够起到很好的隔热作用。通常由活塞基体、功能梯度过渡层及陶瓷隔热层构成。陶瓷层可以起到很好的隔热作用,功能梯度层可以避免由于陶瓷和基体金属基体合金直接相连接而造成的材料线膨胀系数不匹配而产生的热应力,合金基体金属可以承受高压燃气产生的高压变形。这种活塞既保持了陶瓷的隔热性能又保持了基体金属的承受变形的优良性能,所以具有很好的应用前景。本文以ZrO2陶瓷、硅铝合金为活塞基体为研究对象。首先在三维建模软件Pro/E中建立功能梯度材料活塞模型,通过曲轴转角-燃气压力实验,得到一个周期的燃气压力,然后通过经验公式计算瞬时压力和瞬时温度。以计算换热系数,并求取平均值,以算得结果为第三类边界条件,采用ANSYS对功梯度材料活塞进行了有限元分析。将成指数分布的连续变化的梯度层,采用离散化的方法,均匀地离散为六层,在离散过程中选用了不同的梯度分布指数。然后,对不同分布指数的功能梯度圆柱（简化为活塞的头部）、硅铝合金圆柱和单一陶瓷圆柱进行了温度场和热应力场的分析。在此基础上,对整个不同分布指数的功能梯度材料活塞、硅铝合金活塞和单一陶瓷活塞进行了温度场和热应力场的分析。结果表明:功能梯度过渡层可以明显改变活塞温度分布,缓和由于热膨胀系数不匹配,在陶瓷增强层与活塞本体交界处产生的热应力,并通过对比分析不同分布指数的功能梯度圆柱和活塞的温度场和热应力场。在综合考虑隔热效果好和梯度层与基体金属结合面处的热应力小两方面因素,得出梯度分布指数p=0.6的优化结果,为梯度热障涂层活塞地制备提供了理论分析。