【正文】 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 機(jī)械應(yīng)力邊界條件： 由上節(jié)計(jì)算得到活塞機(jī)械負(fù)荷邊界條件，如表 51： 表 51 活塞機(jī)械負(fù)荷邊界條件 活塞和機(jī)械負(fù)荷綜合有限元分析 由圖 58和圖 59，在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷兩種載荷的綜合作用下，最大的應(yīng)力為： ，活塞銷座上部外側(cè)即受到較大的熱應(yīng)力又受到較大的銷座支反力，活塞銷的變形中 間往上，兩端往下變形，造成了對活塞銷座底部外側(cè)壓縮，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。活塞內(nèi)腔頂部中心綜合應(yīng)力相對較小，因?yàn)橹皇艿綗釕?yīng)力的作用，受到機(jī)械 載荷的影響較小。但是在活塞實(shí)際工作過程中，活塞銷受到活塞通過銷座接觸副傳過來的力和熱量，都會(huì)引變形。 圖 58 活塞熱力 耦合 云圖 圖 59 活塞內(nèi)腔熱力耦合云圖 圖 510 活塞 熱力耦合位移云圖 圖 511 活塞 熱力耦合內(nèi)腔 耦合位移云圖 34 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 512 活塞熱力耦合外形變化 本章小結(jié) 本章分析了活塞的熱應(yīng)力和熱變形，分析了對活塞應(yīng)力和變形有主要影響的機(jī)械負(fù)荷，確定了機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷綜合分析的邊 界條件，進(jìn)行了有限元分析，得到以下結(jié)論： 活塞僅受熱負(fù)荷時(shí)，熱應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在油環(huán)槽的下部外側(cè)，和活塞內(nèi)腔頂面，其值為： 。 耦合機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷兩種載荷后，活塞最大的應(yīng)力為： ，在活塞銷座上端。 （ 2） 表 61列舉了活塞材料 ZL109隨溫度變化的強(qiáng)度，參考表 61我們分析在溫度載荷作用下，活塞膨脹產(chǎn)生熱應(yīng)力和 熱變形，熱應(yīng)力的最大值 ()，出現(xiàn)在有環(huán)槽的下部，遠(yuǎn)小于活塞材料的屈服強(qiáng)度；由于溫度梯度較大，活塞內(nèi)腔頂部中央，油環(huán)槽下沿?zé)釕?yīng)力都比較高。 貯油孔壁下端和活塞銷座上端綜合應(yīng)力也比較大?；钊^部的變形比活塞僅受熱負(fù)荷時(shí)小 。用硬模陽極氧化的方法處理活塞頂部表面， 或在活塞頂 36 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 表面涂上、鍍上絕熱層，形成耐熱層，增大熱阻，使高溫燃?xì)庀蚧钊攤鬟f的熱量減少 。 37 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 總結(jié)和體會(huì) 在 用 Ansys 軟件對活塞熱力耦合過程 中，我遇到了不少問題，有些是超出自己的能力范圍的，每當(dāng)無法實(shí)現(xiàn) 自己的想法或是運(yùn)行出現(xiàn)問題時(shí)，情緒就會(huì)浮躁，在同學(xué)和老師的幫助下，經(jīng)過努力，終于完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。通過學(xué)習(xí)，你會(huì)發(fā)覺自己的知識儲(chǔ)備量在遞增，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，就會(huì)感覺頭腦很充實(shí)，在完成任務(wù)方面也輕松多了。所有的工作都完成了就等著畢 業(yè)答辯了。同學(xué)之間要互相幫助，幫助別人的同時(shí)自己也在加深記憶。 38 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 致 謝 本文是在導(dǎo)師 閆妍 的悉心指導(dǎo)下完成的。 感謝母校 西華 大學(xué)，是她提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和生活環(huán)境，讓我 四 年的生活豐富多姿，為我的人生留下精彩的一筆。 methanol and DME –efficient technologies for industrial scale production[J],Catalysis Today ,2021,（ 01） ：242250； [9] 袁兆成，方華，蘇巖等 ． 內(nèi)燃機(jī) 設(shè)計(jì) [M]．北京： 機(jī)械工業(yè) 出版社， 2021； [10] 陳大榮 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。從連桿小頭上設(shè)計(jì)噴油孔，或者將噴油嘴安裝在機(jī)體上，向內(nèi)腔頂部噴射機(jī)油；在內(nèi)腔設(shè)計(jì)環(huán)形油 腔 通過機(jī)油振蕩冷卻活塞 。 活塞的最小變形在內(nèi)腔頂部?；鹆Π逗突钊斆娴倪吘墳榛钊淖畲笞冃挝恢??；钊淖畲笞冃翁幵诨钊斉c火力岸的邊緣，其值為 ，活塞的最小變形在內(nèi)腔中央?；钊鹆Π逗突钊斆娴倪吘墳榛钊淖畲鬅嶙冃挝恢?，其值為： 。這是此次分析中的不足之處。圖 510 和 圖 511 為活塞熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷耦合位移云圖，在機(jī)械應(yīng)力和熱負(fù)荷的綜合作用下，活塞的最大變形在燃燒室偏置一側(cè)的活塞頂和火力岸還有活塞裙部底端，為： ，活塞最小變形在內(nèi)腔頂部中央。 活塞燃燒室內(nèi)綜合應(yīng)力都比較小，在 ，只是活塞銷正上方的燃燒室底部綜合應(yīng)力較大，為： 。 Fj=mj (53) 式中： m為活塞組件的質(zhì)量，本次活塞組件質(zhì)量為 ， j為活塞加速度 活塞的加速度根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的幾何 關(guān)系求出，如圖 57 所示。 由圖 55和圖 56我們看到其分別為 X方向和 Y方向上的活塞的熱位移， Y方向上的熱位移最大發(fā)生在活塞頂面，其值為： ， 由 X方向上的位移我們可以看到由于活塞燃燒室的偏置，活塞頂面靠近燃燒室部位熱位移最大： 。 27 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 活塞機(jī)械負(fù)荷分析 活塞的熱負(fù)荷 活塞熱應(yīng)力有限元分析 [18,19,20] 通過上一章對活塞穩(wěn)定溫度場的分析我們知道，活塞的溫差非常大，而且分布很不均勻，所以想必活塞內(nèi)部的熱應(yīng)力是很大的，所以在本節(jié)中，為了進(jìn)一步分析活塞的熱負(fù)荷，通過采用間接耦合法，對活塞沒有加載任何機(jī)械應(yīng)力，通過上一章活塞溫度場分析結(jié)果文件（ .rh），將其讀為邊界條件 ， 進(jìn)行熱應(yīng)力分析。 25 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 44 活塞溫度分布圖 圖 45 活塞頂面溫度分布圖 圖 46 活塞側(cè)面溫度梯度分布云圖 圖 47 活塞溫度梯度分布云圖 圖 48 活塞熱流密度矢量分布云圖 圖 49 活塞頂熱流密度矢量分布云圖 26 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 本章小結(jié) 本章根據(jù)活塞的參數(shù)建立了整個(gè)活塞的三維幾何模型，進(jìn)而將其導(dǎo)入ANSYS分 析了活塞與高溫燃?xì)獾臒徇吔鐥l件，并利用 VB編程計(jì)算出的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中瞬時(shí)溫度，確定活塞頂面內(nèi)腔的換熱系數(shù)，并通過相關(guān)機(jī)型和已經(jīng)研究出來的成果，確定活塞各部位邊界條件。我們看到它的溫度較高為： 。但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，第一道環(huán)的溫度很接近一般潤滑油的結(jié)膠溫度： 493K，如果長期在這種負(fù)荷下運(yùn)行，而活塞第一環(huán)還有有害的泵油作用，這會(huì)加劇潤滑油的消耗，更可能使環(huán)被卡死在環(huán)槽中，失去氣密性，劃傷氣缸壁，甚至是環(huán)折斷。 由圖 45中科看出燃燒室喉口處出現(xiàn)了整個(gè)活塞的最高溫度： ，此處常常由于熱疲勞而產(chǎn)生裂紋。如圖 42 所示，活塞的油孔，導(dǎo)油槽和微斜角在有限元軟件中劃分網(wǎng)格時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的節(jié)點(diǎn)和單元，而這些部位對活塞的應(yīng)力分析影響不大，但是對這些非關(guān)鍵部位的孔和圓角進(jìn)行了簡化處理，其余部分均按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。活塞的最低溫度也有限制，不能低于其下限值 ，因?yàn)楹蛉剂嫌扇紵a(chǎn)生的冷凝物在過低的溫度下會(huì)對金屬產(chǎn)生酸性腐蝕。評定活塞的熱負(fù)荷首先要看活塞的最高溫度。普通單體油環(huán)的徑向壓力最低，刮油能力和耐久性都較差，帶波形板襯簧的油 環(huán)有較大的徑向壓力，于是采用此種組合式油環(huán)如圖 35所示： 圖 35 活塞油環(huán)（左為波形板襯簧，右油環(huán)截面） 活塞銷的設(shè)計(jì) 活塞銷的功用是連接活塞和連桿小頭，將活塞承受的氣體作用力傳給連桿。于是我考慮梯形環(huán)，如圖 24 所示在活塞側(cè)壓力 Fn 作用下橫動(dòng)時(shí)，環(huán)的的側(cè)隙 δ發(fā)生變化，能把膠狀油焦從環(huán)槽中擠出。所設(shè)計(jì)的活塞采用最常用的三道氣環(huán)，一道油環(huán)?；钊h(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)兩類。 即： H1= 活塞裙部 H2 是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽一下的部分。 ? ?1 3C ( )ZPz mm?? (1) 由 (1)式中： z環(huán)槽深度， mm； PZ最高爆發(fā)壓力， N/mm2； [σ]環(huán)槽材料許用應(yīng)力。由于漏氣量隨氣體壓力和氣缸直徑的增大而增大， 隨內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而減小，因此高速內(nèi)燃機(jī)的環(huán)數(shù)比低速內(nèi)燃機(jī)的少，汽油機(jī)的環(huán)數(shù)比柴油機(jī)的少。 2） 將第一環(huán)槽安排在活塞頂厚度以下。提高舒適度，活塞采用偏置式半球型燃燒室 ，偏心度 a 為 ，半徑為 18mm。鋁合金 15 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 為現(xiàn)在比較流行的活塞材料。在硅鋁系合金中，雖然亞共晶硅鋁合金的常溫和高溫強(qiáng)度均為最佳，但其熱膨脹系數(shù)較大（ 241061/℃ ）。 （ 3） 密封性好，摩擦損失小。 (4) 以穩(wěn)態(tài)條件下得到的溫度場作為邊界條件，施加約束，計(jì)算活塞在溫度載荷下的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變。 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及工作 (1) 根據(jù)二甲醚燃料的特性 對 2100T 柴油機(jī)進(jìn)行 工作過程計(jì)算得到燃燒室混合氣瞬時(shí)爆發(fā)的最高溫度和壓力，根據(jù)教材和原有活塞原型設(shè)計(jì)出二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，和已有的研究成果和實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型，確定活塞