作者：雷基林; 王东方; 邓晰文; 辛千凡; 文均柴油机活塞温度过渡工况稳定工况热应力热应变
摘要：发动机活塞热疲劳失效主要有稳定工况下周期性热冲击导致的高周疲劳失效和在冷启动、急加速、急减速等过渡工况下热冲击引起的低周疲劳失效两种形式。为探究柴油机活塞在不同工况下活塞的热负荷变化情况,该文以一款非道路用高压共轨柴油机为研究对象,基于活塞顶面瞬态温度试验测试结果,采用热-机解耦方法建立了稳定工况及冷启动、急加速和急减速等过渡工况下的活塞热负荷有限元仿真计算模型,分析了发动机在稳定工况、冷启动、急加速和急减速过程中活塞的热负荷变化规律。研究结果表明:稳定工况下活塞的热负荷波动现象仅出现在活塞顶面、火力岸和第一环槽位置,且热负荷波动幅值随着距离活塞表面深度的增加而逐渐减小,温度波动深度范围为3 mm;活塞周期性瞬态热应力波动主要发生在活塞顶面,其他区域波动较小,热应力波动深度范围为5 mm,最大热应力波动幅值出现在燃烧室喉口区域,达到32.3MPa。过渡工况下活塞的热负荷变化较大,其中:冷启动过程中活塞的热应力出现跳跃性急剧升高,随后又快速降低的现象,活塞热负荷的变化幅度较大,温度、热应力和热应变分别达到200℃、42 MPa和0.3 mm;急加速过程中活塞温度场、热应力和热变形都急剧升高,虽然活塞的温度和热应变的变化量相对较小,为140℃和0.12 mm,但活塞燃烧室喉口热应力变化幅值达到93 MPa,易造成活塞热疲劳失效,从而对活塞可靠性和耐久性产生较大影响;急减速过程出现活塞各测点先短暂升高、后缓慢小幅度降低、并在200 s后趋于稳定的现象,急减速过程中活塞的温度、热应力和热应变的变化幅度均较小,最大变化量分别在30℃、10 MPa和0.02 mm以内。研究结果可为高强化柴油机铝合金活塞设计提供参考。
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