柴油機(jī)改二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)后活塞熱強(qiáng)度校核 ——畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目:2100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞 設(shè)計(jì)學(xué)院(直屬系): 交通與汽車(chē)工程學(xué)院 年級(jí)、 專業(yè): 2009級(jí)熱能與動(dòng)力工程 （汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī))1班 姓 名: 何文瀟 學(xué) 號(hào): 312009070301247 指 導(dǎo) 教 師: 完 成 時(shí) 間: 2013年6月 2 日 41 目 錄摘 要3abstract31 緒論41.1 車(chē)用新型燃料概述41.2 二甲醚作為代用燃料的優(yōu)勢(shì)51.3 本課題選題意義及目的91.4 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及工作92 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程計(jì)算112.1 本課題2100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)原始參數(shù)112.2 二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程計(jì)算113 活塞組設(shè)計(jì)143

2、.1 活塞材料選擇143.2 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)153.2.1 活塞頭部設(shè)計(jì)153.2.2 活塞裙部設(shè)計(jì)163.2.3 活塞與氣缸配合間隙173.3 活塞環(huán)的設(shè)計(jì)173.3.1 氣環(huán)的設(shè)計(jì)173.3.2 油環(huán)的設(shè)計(jì)193.4 活塞銷(xiāo)的設(shè)計(jì)194 活塞熱分析204.1活塞熱負(fù)荷概述204.2 有限元模型的建立204.2.1 活塞主要參數(shù)204.2.2 三維幾何模型的建立214.3 活塞溫度場(chǎng)邊界條件224.4 活塞溫度場(chǎng)有限元分析234.5 本章小結(jié)265 活塞機(jī)械負(fù)荷分析275.1 活塞的熱負(fù)荷275.1.1 活塞熱應(yīng)力有限元分析275.2 活塞的機(jī)械負(fù)荷295.2.1活塞受力分析295.2.2 活

3、塞頂氣體壓力295.2.3 活塞往復(fù)慣性力305.2.4 活塞裙部法向壓力的確定315.3 機(jī)械應(yīng)力邊界條件325.4 活塞和機(jī)械負(fù)荷綜合有限元分析325.5 本章小結(jié)346 總結(jié)35總結(jié)和體會(huì)37致 謝38參考文獻(xiàn)392100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)摘 要本文分析了柴油機(jī)使用二甲醚代用燃料的現(xiàn)狀和優(yōu)勢(shì)，并根據(jù)二甲醚燃料的特殊理化性質(zhì)，對(duì)二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并用ansys有限元軟件對(duì)活塞的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷進(jìn)行耦合分析，為2100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的耐久性和可靠性提供科學(xué)依據(jù)。分析結(jié)果顯示，活塞的溫度分布很不均勻，最大的溫差達(dá)到了將近100k，這導(dǎo)致了活塞內(nèi)部具有很大的熱應(yīng)力，通過(guò)ans

4、ys軟件，分析出了活塞內(nèi)腔頂部、第一環(huán)槽、第四道活塞環(huán)槽下沿和活塞銷(xiāo)座上方外側(cè)的熱應(yīng)力較大；活塞頂部熱膨脹最嚴(yán)重。同時(shí)對(duì)活塞進(jìn)行了熱力耦合分析，分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)出的活塞，符合熱力要求。關(guān)鍵詞:二甲醚 活塞 熱力耦合 有限元the design of 2100t dme engine piston abstractthis paper analyzed the use of dme engine status and benefits of alternative fuels , dme engine piston designed under the dme fuel special phys

5、ical and chemical properties, and piston thermal and mechanical loads are coupled analysis by using ansys finite element software . providing a scientific basis of 2100t dme engine piston durability and reliability. the results showed that the pistons temperature distribution is uniform , the maximu

6、m temperature reached nearly 100k, which led inside the piston has a great thermal stress . analysis of maximum thermal stress of the piston cavity in the top of the piston by ansys software . also conducted a piston coupled thermal analysis and the results found in this design for the 2100t piston

7、, which meeting the strength requirements.keywords:dme piston thermal coupling fem1 緒論能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一，化石能源（主要指石油、煤、天然氣）仍是當(dāng)今世界的主要能源。20世紀(jì)50年代以后，全世界經(jīng)歷了三次重大的石油危機(jī)，由于石油危機(jī)的爆發(fā)，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)造成巨大影響，國(guó)際輿論開(kāi)始關(guān)注起世界能源危機(jī)問(wèn)題。許多人甚至預(yù)言：世界石油資源將要枯竭，能源危機(jī)將是不可避免的。如果不做出重大努力去利用和開(kāi)發(fā)各種能源資源，那么人類在不久的未來(lái)將會(huì)面臨能源短缺的嚴(yán)重問(wèn)題 。所以現(xiàn)在人類迫切的需要找到代用燃料，

8、來(lái)緩解石油資源匱乏和需求之間的矛盾。1995年以來(lái), 丹麥技大學(xué)、avl 等公司對(duì)二甲醚用于柴油機(jī)進(jìn)行了研究。在我國(guó), 1997年西安交大開(kāi)始進(jìn)行直噴式柴油機(jī)燃用二甲醚性能研究, 成功改造了高速二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)并獲自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),并于2000年9月成功研制出我國(guó)第一臺(tái)二甲醚城市中巴車(chē);2005年6月,上汽集團(tuán)、上海交大聯(lián)合上柴股份和上海焦化成功開(kāi)發(fā)了我國(guó)首輛無(wú)黑煙二甲醚公交客車(chē); 2005年9月西安交大和山東久泰聯(lián)合開(kāi)發(fā)了我國(guó)第一臺(tái)油、二甲醚混合燃料客車(chē)1。所以我們可看出柴油機(jī)改用二甲醚為燃料越來(lái)越受人們所關(guān)注。首先我們知道活塞是內(nèi)燃機(jī)的核心部件之一，它與活塞銷(xiāo)、活塞環(huán)一起組成活塞組在氣缸里作往復(fù)運(yùn)

9、動(dòng)。它在高溫、高壓，高速、潤(rùn)滑困難，同時(shí)承受交變載荷的惡劣條件下工作。發(fā)動(dòng)機(jī)故障大部分出現(xiàn)在活塞上，特別是強(qiáng)化程度越來(lái)越高的柴油機(jī)，活塞出現(xiàn)的故障約占整個(gè)柴油機(jī)故障的半數(shù)以上2。綜上所述，要對(duì)內(nèi)燃機(jī)的燃料進(jìn)行更改，考慮活塞的重新設(shè)計(jì)與強(qiáng)化，是必不可少的。1.1 車(chē)用新型燃料概述由圖1-1可見(jiàn),柴油機(jī)的燃油可以分為來(lái)自于石油產(chǎn)品的輕柴油，重柴油，船用燃料油以及天然氣(lng,cng),液化石油氣(lpg),醇類燃料(甲醇,乙醇),二甲醚(dme),生物柴油,乳化燃料等代用燃料3。太陽(yáng)能天然氣，煤生物質(zhì)能石油 二甲醚生物柴油甲醇，乙醇碳酸二甲酯柴油汽油氫氣甲烷裂解器+燃料電池柴油機(jī)汽油機(jī)燃料電池含

10、氧燃料發(fā)動(dòng)機(jī)lpg,cng,沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)圖1-1車(chē)用燃料及來(lái)源圖為了保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,緩解我國(guó)能源危機(jī)和環(huán)境污染的力。在對(duì)現(xiàn)有能源采取更有效地省油措施之外,還需要積極主動(dòng)的研究和發(fā)展新型清潔代用能源。政府部門(mén)及其內(nèi)燃機(jī)相關(guān)行業(yè)正在大力對(duì)這一有著重大意義的課題開(kāi)展研究。因此開(kāi)展該領(lǐng)域課題的研究,對(duì)社會(huì)實(shí)踐和理論都有著重大的意義。目前在柴油機(jī)上使用的代用燃料主要有:天然氣(lng,cng)，液化石油氣(lpg)，醇類燃料(甲醇,乙醇)，二甲醚(dme)，生物柴油，乳化燃料等。1.2 二甲醚作為代用燃料的優(yōu)勢(shì)人類對(duì)能源的需求與利用能源而造成環(huán)境污染之間的矛盾一直困繞著世界各國(guó)。汽車(chē)作為一個(gè)

11、流動(dòng)的污染源，在入口密集的城市和交通發(fā)達(dá)的工礦地區(qū)，到處散發(fā)著大量廢氣，嚴(yán)重威脅著居民的身心健康，破壞著生態(tài)平衡，成為大氣污染的“罪魁禍?zhǔn)住?。由于世界石油資源日趨減少，同時(shí)為解決發(fā)動(dòng)機(jī)的排放問(wèn)題，在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域中對(duì)清潔代用燃料的研究已成為前沿課題。隨著人們對(duì)環(huán)境污染重視程度的提高，世界各國(guó)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的限制也日益嚴(yán)格。美曰歐各國(guó)既是世界汽車(chē)工業(yè)的先驅(qū)，同時(shí)也在控制汽車(chē)排放方面居世界領(lǐng)先地位。美國(guó)自從本世紀(jì)40年代加州的洛杉磯光化學(xué)煙霧事件以后，首先認(rèn)識(shí)到汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)是城市空氣污染的主要來(lái)源。1960年加州通過(guò)了“汽車(chē)污染物控制法令”，限制co、hc的排放量。1963年美國(guó)聯(lián)邦政府以此為依據(jù)制定了“

12、大氣凈化法”。此后限制標(biāo)準(zhǔn)逐年嚴(yán)格：1970年后采用排放率標(biāo)準(zhǔn)；1971年又增加了nox的排放限制。日本受美國(guó)排放限制的影響，早在1965年就著手調(diào)查本國(guó)的大氣污染情況，并逐步制定出排放標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法，并于1966年7月制定了汽車(chē)排放污染物標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)co進(jìn)行了限制；1970年起又增加了hc的限制；1973年又增加了nox的限制；80年代中期與美國(guó)相對(duì)應(yīng)日本亦公布了重型車(chē)輛嚴(yán)格的微粒和nox排放標(biāo)準(zhǔn)。1970年，歐共體(eec)定了限制卡車(chē)排放的標(biāo)準(zhǔn)。1989年起對(duì)柴油轎車(chē)的微粒也作了限制4。表1-1為歐洲重型車(chē)用柴油機(jī)排放限值。表1-1 歐洲重型車(chē)用柴油機(jī)排放限值排放標(biāo)準(zhǔn)歐洲1歐洲2歐洲31)歐

13、洲3測(cè)試循環(huán)ece r49ece r49escetc生效日期1992年1996年2000年2000年co4.54.02.15.45hc1.11.10.66-nmhc-0.78ch4-1.6nox8.07.05.05.0pt0.36/0.612)0.15/0.253)0.10/0.133)0.213)1）還有動(dòng)態(tài)煙度限值0.8m-1；2）適用于額定功率不大于85kw的柴油機(jī)；3）適用于單缸工作容積小于0.7l，額定轉(zhuǎn)速大于3000r/min的柴油機(jī)。我國(guó)于1981年起開(kāi)始制定汽車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)，從1983年起陸續(xù)頒布了一系列有關(guān)汽車(chē)和摩托車(chē)用內(nèi)燃機(jī)的排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法。在機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染

14、防治技術(shù)政策中規(guī)定我國(guó)轎車(chē)的排放控制水平，2000年達(dá)到相當(dāng)于歐i水平，最大總質(zhì)量不大于3.5t的其他輕型汽車(chē)(包括柴油車(chē))型式認(rèn)證產(chǎn)品的排放控制水平；2000年以后達(dá)到相當(dāng)于歐i水平；所有輕型汽車(chē)(含轎車(chē))的排放控制水平，應(yīng)于2004年前后達(dá)到相當(dāng)于歐ii水平，且10年前后爭(zhēng)取與國(guó)際排放控制水平接軌；重型汽車(chē)(最大總質(zhì)量大于3.5t)與摩托車(chē)的排放控制水平，2001年前后達(dá)到相當(dāng)于歐i水平，2005年前后柴油車(chē)達(dá)到相當(dāng)于歐ii水平，2010年前后爭(zhēng)取與國(guó)際排放控制水平接軌。 按熱值計(jì)算，二甲醚熱值僅為柴油熱值的64.7% ，但同時(shí)二甲醚液體的密度只有柴油密度的78.5% 。按這個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算，在

15、車(chē)輛使用二甲醚時(shí)，要達(dá)到原柴油機(jī)的動(dòng)力性，二甲醚供給量應(yīng)達(dá)到柴油的1.9倍?，F(xiàn)在，二甲醚的市場(chǎng)價(jià)格為4100元/t左右，0號(hào)柴油市場(chǎng)價(jià)格在山東省達(dá)到了8200元/t左右，其他市場(chǎng)是8400元/t8600元/t。因此，即便行駛相同里程，二甲醚汽車(chē)的燃料成本是柴油汽車(chē)燃油成本的2倍也是合算的5。根據(jù)我國(guó)自然條件和能源資源特色，如何在后石油時(shí)代，逐步改變汽車(chē)能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展汽車(chē)清潔代用燃料，在發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)高效、低污染的燃燒，控制汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)有害排放對(duì)我國(guó)城市大氣質(zhì)量帶來(lái)的日趨嚴(yán)重的影響，已成為我國(guó)能源與環(huán)境研究中的一個(gè)十分重大和緊迫的研究課題。二甲醚(dme)具有燃料的主要性質(zhì)，其熱值約為64.686

16、kjm3，且其自身含氧，能夠充分燃燒，不析碳、無(wú)殘液，是最簡(jiǎn)單的醚類化合物，常溫下為氣態(tài)中壓下為液態(tài)。液態(tài)時(shí)，無(wú)色無(wú)毒，對(duì)皮膚有輕微刺激，不致癌，腐蝕?。辉诖髿庵泻芸旆纸鉃樗蚦o2；二甲醚和柴油都是高十六烷值類燃料，但因二甲醚分子組成中含氧且具有高揮發(fā)性，導(dǎo)致了二甲醚具有較好的減煙素質(zhì)。如表1-2二甲醚和柴油、丙烷、丁烷、甲醇理化性質(zhì)的對(duì)比6。表1-2 二甲醚和其他燃料理化性質(zhì)的對(duì)比特性二甲醚柴油丙烷丁烷甲醇分子式ch3och3cxh1.8xc3h8c4h10ch3oh分子量46.071936044.1158.1332.04沸點(diǎn)/-24.918360-42-0.565蒸汽壓/kpa，205.

17、1-8.42.10.32液態(tài)密度/g.cm-10.6680.840.5010.610.79液態(tài)粘度/×104pa.s-10.155.356.280.10.180.768低熱值/mj.kg-128.4342.546.3645.7419.5爆炸極限/%，空氣中3.4170.66.52.19.41.98.4636.5著火溫度/235250470365450十六烷值556040555理論空燃比/kg.kg-19.014.615.6615.456.5汽化潛熱/kj.kg-1,-204102503703581110碳含量/%52.28681.882.812.5氧含量/%34.800050氫含量/

18、%131418.217.25從表1-2中可以看出，二甲醚作為柴油機(jī)燃料有如下優(yōu)點(diǎn)7：（1）二甲醚分子結(jié)構(gòu)只有c-h和c-o鍵，沒(méi)有c-c鍵。含氧比例達(dá)到（34.8%），可以實(shí)現(xiàn)無(wú)煙燃燒，同時(shí)它可以使用更大的廢氣再循環(huán)(egr)，降低nox排放。（2）二甲醚的十六烷值比柴油高，遠(yuǎn)高于其它代用燃料，因此在柴油機(jī)上燃用二甲醚不像甲醇、乙醇、液化石油氣和天然氣那樣需要助燃措施。而且高的十六烷值可縮短著火滯燃期，減少預(yù)混合燃燒量，降低nox排放。（3)二甲醚汽化潛熱（460kj/kg）幾乎是柴油(250kj/kg)的兩倍，可以大幅降低最高燃燒溫度，nox的排放。(4)二甲醚的沸點(diǎn)溫度(-24)低，噴入氣

19、缸后的霧化速度比柴油快的多，燃燒品質(zhì)也好的多。(5)二甲醚低熱值（27.6mj/kg）比柴油的（43mj/kg)低（36%），但理論混合氣熱值（3.71mj/m3）與柴油的（3.83mj/m3）接近，所以需要較小的空燃比。1.3 本課題選題意義及目的本課題，利用現(xiàn)有的活塞設(shè)計(jì)參考資料，對(duì)2100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后利用有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的活塞的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷承受情況進(jìn)行分析，為2100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)活塞工作的可靠性和耐久性的評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。我們知道二甲醚在發(fā)動(dòng)機(jī)上面的應(yīng)用分為壓燃式和點(diǎn)燃式，其中壓燃式分為純二甲醚缸內(nèi)直噴壓燃式和二甲醚/柴油雙燃料壓燃式；而點(diǎn)燃式只要應(yīng)用于預(yù)

20、混和點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。眾所周知，活塞、活塞銷(xiāo)和活塞環(huán)等在氣缸里作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件，它們是活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的組件。所以要求設(shè)計(jì)出的活塞，滿足活塞設(shè)計(jì)的技術(shù)要求：(1)使用熱強(qiáng)度好、耐磨比重小、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性好、工藝性好的材料；(2)有合理的形狀和壁厚，保證散熱良好，強(qiáng)度、剛度符合要求，重量輕，避免應(yīng)力集中；(3)保證燃燒室氣密性好，竄氣、竄油少；(4)在不同工況下保持活塞與缸套的最佳配合間隙；(5)減少活塞從燃?xì)庵形諢崃?，而已吸收的熱量能順利地散走?6)在較低的機(jī)油油耗條件下，應(yīng)該保證滑動(dòng)面上有足夠的潤(rùn)滑油8 。1.4 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(duì)2100t柴

21、油機(jī)進(jìn)行工作過(guò)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，確定活塞其他各處傳熱的換熱邊界條件。(2) 應(yīng)用軟件pro/e對(duì)活塞進(jìn)行實(shí)體建模，并進(jìn)行模擬的運(yùn)動(dòng)分析。并將活塞模型圖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的工程圖并結(jié)合cad軟件，完成其圖樣的繪制，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。(3) 應(yīng)用ansys軟件，將邊界條件加載到有限元模型中，計(jì)算出活塞在穩(wěn)態(tài)條件下的溫度場(chǎng)，對(duì)活塞的熱負(fù)荷進(jìn)行了評(píng)價(jià)。(4) 以穩(wěn)態(tài)條件下得到的溫度場(chǎng)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。(5) 分析活塞在最大爆發(fā)

22、壓力的受力情況，忽略一些次要的受力，計(jì)算出活塞機(jī)械負(fù)荷邊界條件，耦合穩(wěn)態(tài)條件下的溫度場(chǎng)，施加約束條件，得到活塞在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷共同作用下的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。2 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程計(jì)算2.1 本課題2100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)原始參數(shù)表2-1 2100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)參數(shù)表缸徑 d=100mm活塞行程 s=120mm連桿長(zhǎng)度 l=200mm發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n=2000r/min壓縮比 16供油提前角 18缸數(shù)i=2額定功率=18.4kw大氣壓力=0.1mpa大氣溫度=288kgc0.52gh0.13go0.35示功圖豐滿系數(shù)0.9h低熱值27600kj/kg2.2 二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程計(jì)算 （一） 排氣過(guò)程

23、排氣壓力： 排氣溫度：（二） 進(jìn)氣過(guò)程 (1) 進(jìn)氣終了壓力： (2) 進(jìn)氣終點(diǎn)溫度： （三） 壓縮過(guò)程：(1)壓縮終點(diǎn)壓力： (2)壓縮終點(diǎn)溫度： （四）燃燒過(guò)程：(1)理論所需空氣量：(2)實(shí)際分子變更系數(shù)：(3)燃燒最高溫度： (4)最高燃燒壓力：（五）膨脹過(guò)程(1)膨脹終點(diǎn)壓力：(2) 膨脹終點(diǎn)溫度：（六）發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)(1)平均指示壓力：(2)指示熱效率：(3)有效熱效率： (4)有效燃油消耗率： (5)平均有效壓力： (6)有效功率： (7) 通過(guò)上述算出條件，繪制出p-圖圖2-1 2100t二甲醚柴油機(jī)p-圖 (8)通過(guò)上述算出條件，繪制出t-圖圖2-2 2100t二甲醚柴油機(jī)t

24、-圖3 活塞組設(shè)計(jì)根據(jù)活塞工作條件，在進(jìn)行活塞設(shè)計(jì)時(shí)首先要求9-13：（1） 選用的熱強(qiáng)度好，散熱性好，熱膨脹系數(shù)小，耐磨、有良好減摩性和工藝性的材料。（2） 形狀和壁厚合理，吸熱少，散熱好，強(qiáng)度，剛度符合要求，盡量避免應(yīng)力集中，與缸套有最佳的配合間隙。（3） 密封性好，摩擦損失小。（4） 重量輕3.1 活塞材料選擇活塞工作時(shí)，由于承受極高的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，對(duì)活塞的材料有以下要求：強(qiáng)度高、重量輕、良好的滑動(dòng)性絕熱和導(dǎo)熱性好、線膨脹系數(shù)小良好的耐磨和耐腐蝕性根據(jù)現(xiàn)有機(jī)型，常用的活塞材料有：1) 灰口鑄鐵灰口鑄鐵是較早應(yīng)用于活塞的制造材料，它有：耐磨，耐蝕，耐熱，熱強(qiáng)度好，膨脹系數(shù)小，成本低，工

25、藝性好等優(yōu)點(diǎn)。但是它的材料密度大，在相同結(jié)構(gòu)尺寸下，質(zhì)量大，不適用于高速發(fā)動(dòng)機(jī)。2） 鋁合金目前采用較多的是硅鋁系合金，它是在鋁中加硅（si）以減小熱膨脹系數(shù)，提高耐磨、耐熱性能，改善鋁合金鑄造性能。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（24×10-61/）。對(duì)于共晶硅鋁合金（含硅11%13%），其膨脹系數(shù)較?。?0.5×1061/），但切削性比亞共晶硅鋁合金和銅鋁合金差。即便如此，共晶硅鋁合金仍是現(xiàn)代活塞的標(biāo)準(zhǔn)鑄造鋁合金材料。3） 耐熱鋼及球墨鑄鐵材料高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)，大多采用鋼頂鋁群，或鋼頂鑄鐵群的組合油冷活塞。鋁合金為現(xiàn)在比較流

26、行的活塞材料。參照相似機(jī)型，對(duì)2100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞，選用了zl109共晶硅合金。3.2 活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1 活塞頭部設(shè)計(jì)圖3-1活塞結(jié)構(gòu)尺寸h-總高度 h1-壓縮高度 h3-上裙高度 h4-孔銷(xiāo)高度 h2-裙長(zhǎng)h1-火力岸高度 h2-環(huán)帶高度 c1-環(huán)岸高度 b1-氣環(huán)環(huán)槽高度 b2-油環(huán)環(huán)槽高度如圖3-1可看出活塞頭部包括頂部和環(huán)帶部?jī)刹糠?。二甲醚燃料較柴油有更好的揮發(fā)性，為了降低二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。提高舒適度，活塞采用偏置式半球型燃燒室，偏心度a為3.2mm，半徑為18mm?；钊鹆Π陡叨萮1是根據(jù)強(qiáng)度、剛度及散熱條件來(lái)確定的。通常情況下，柴油機(jī)鋁活塞h1值約為（0.10.2）d

27、。為了使活塞的第一環(huán)槽能正常工作而不至于過(guò)早損壞，除了適當(dāng)?shù)倪x擇頂岸高度外，采取以下措施：1） 保證活塞在上止點(diǎn)時(shí)，第一環(huán)的位置處與冷卻水套中。2） 將第一環(huán)槽安排在活塞頂厚度以下。即：活塞h1=20mm。環(huán)帶的高度h2取決于氣環(huán)和油環(huán)的數(shù)目以及各環(huán)槽和環(huán)岸的高度。活塞環(huán)數(shù)取決于密封的要求，它與內(nèi)燃機(jī)的氣體壓力及轉(zhuǎn)速有關(guān)。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。根據(jù)上述理論，采用三道氣環(huán)一道油環(huán)較為合理。因受到高壓燃?xì)庾饔煤铜h(huán)對(duì)環(huán)槽肩的沖擊，環(huán)槽肩應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以防止環(huán)槽。而第一環(huán)受到的氣體壓力比其

28、他環(huán)肩高，所以第一道環(huán)槽肩的厚度比其他環(huán)槽肩的后的大。 (1) 由(1)式中：z-環(huán)槽深度，mm；pz-最高爆發(fā)壓力，n/mm2；-環(huán)槽材料許用應(yīng)力。又由：鋁合金 =26n/mm2得：氣環(huán)槽高b1=2.5mm；油環(huán)環(huán)槽高b2=4mm；環(huán)岸c1=4mm3.2.2 活塞裙部設(shè)計(jì)活塞銷(xiāo)上部的裙部長(zhǎng)度是影響h1的另一關(guān)鍵要素。一方面為了保證油環(huán)工作狀況良好，則環(huán)在槽中的軸向間隙很小，另一方面間隙小會(huì)由于銷(xiāo)座的變形而使油環(huán)卡住而失效。綜上所述，現(xiàn)代高速內(nèi)燃機(jī)活塞的壓縮高度取值范圍：汽油機(jī)：h1=（0.450.6）d柴油機(jī)：h1=(0.60.8）d公差：h1±0.05即：h1=67.94mm活塞

29、裙部h2是指活塞頭部最低一個(gè)環(huán)槽一下的部分。它導(dǎo)引活塞在氣缸中高速滑動(dòng)，承受由于連桿擺動(dòng)產(chǎn)生的側(cè)壓力。汽油機(jī)：柴油機(jī)：根據(jù)相似機(jī)型得：h2=80mm3.2.3 活塞與氣缸配合間隙參照常溫時(shí)活塞各部分配合間隙，如表3-1確定活塞與氣缸配合間隙。選定：活塞頭部配合間隙：d=0.5mm 活塞上裙配合間隙：d1=0.6mm 活塞下裙配合間隙：d2=0.15mm表3-1活塞與氣缸配合間隙材料間隙dd1d2鑄鐵(0.0030.005)d0.00083d1(0.000670.00083)d2al-si(0.0050.0057)d(0.00250.033)d1(0.00110.0015)d2al-cu0.00

30、8d0.004d10.0015d2注：d-活塞頭部直徑 d1-活塞上裙直徑 d2-活塞下裙直徑3.3 活塞環(huán)的設(shè)計(jì)活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零件之一，其工作直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能?；钊h(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)兩類。3.3.1 氣環(huán)的設(shè)計(jì)氣環(huán)的作用是：1）與活塞一起密封氣缸工作腔；2）將活塞頭部的熱量導(dǎo)出。油環(huán)的主要作用是：使氣缸壁面的潤(rùn)滑油分布均勻，并避免多余的潤(rùn)滑油竄入燃燒室，造成積炭和增大潤(rùn)滑油的消耗量?；钊臍猸h(huán)有：矩形環(huán)、錐形環(huán)、正扭曲內(nèi)切環(huán)、反扭曲錐面環(huán)、梯形環(huán)、桶面環(huán)。所設(shè)計(jì)的活塞采用最常用的三道氣環(huán)，一道油環(huán)。通常情況下我們會(huì)考慮矩形環(huán)作為第一道環(huán)，但是當(dāng)活塞下行時(shí)，由于環(huán)與缸壁之間的摩擦阻力，環(huán)

31、將壓靠到上端面，缸壁上的機(jī)油就被刮到下邊隙與背隙內(nèi)。當(dāng)活塞上行時(shí)，環(huán)又壓靠在環(huán)槽的下斷面上，第一道環(huán)背隙里的機(jī)油經(jīng)過(guò)上邊隙就進(jìn)入氣缸中。這樣容易引起燃燒室積炭，增加機(jī)油的消耗。于是我考慮梯形環(huán)，如圖2-4所示在活塞側(cè)壓力fn作用下橫動(dòng)時(shí)，環(huán)的的側(cè)隙發(fā)生變化，能把膠狀油焦從環(huán)槽中擠出。在這方面考慮第一環(huán)選擇梯形環(huán)較為合適。圖3-2 梯形環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖為了進(jìn)一步減少和消除有害的泵油作用，第二環(huán)采用正扭曲矩形環(huán)，第三環(huán)采用反扭曲矩形環(huán)。如圖3-3，3-4所示圖3-3 第二道活塞環(huán)截面圖3-4 第三道活塞環(huán)截面3.3.2 油環(huán)的設(shè)計(jì)油環(huán)沒(méi)有足夠的環(huán)背氣壓力使其貼向氣缸壁，因此要求足夠的彈力和較小的外圓表

32、面，以形成較高的徑向單位面積壓力。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3-5所示：圖3-5 活塞油環(huán)（左為波形板襯簧，右油環(huán)截面）3.4 活塞銷(xiāo)的設(shè)計(jì)活塞銷(xiāo)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?；钊N(xiāo)在高溫下承受很大的周期性沖擊載荷，潤(rùn)滑條件很差，因此要求有足夠的剛度和強(qiáng)度，表面耐磨，質(zhì)量盡可能小。活塞銷(xiāo)如圖3-6所示：圖3-6活塞銷(xiāo)4 活塞熱分析4.1活塞熱負(fù)荷概述首先我們知道活塞是處在非常惡劣的條件下工作的，其燃燒室中燃?xì)獾淖罡咚矔r(shí)溫度一般都高達(dá)16001800左右，燃?xì)馄骄鶞囟纫哺哌_(dá)600

33、800左右。柴油機(jī)燃燒室內(nèi)的高溫氣體通過(guò)對(duì)熱換流及熱輻射的方式向活塞傳遞熱量，使其溫度升高，活塞通過(guò)活塞頭，活塞環(huán)，活塞內(nèi)表面，活塞裙部等部位向新鮮沖量，氣缸壁，冷卻液及潤(rùn)滑油等散熱。評(píng)定活塞的熱負(fù)荷首先要看活塞的最高溫度。一般活塞頂?shù)淖罡邷囟雀哌_(dá)300350左右，考慮到活塞處在氣缸體冷卻水套和飛濺潤(rùn)滑油冷卻的環(huán)境下，這些情況都導(dǎo)致了活塞內(nèi)外壁的溫差，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。內(nèi)燃機(jī)的活塞，只從機(jī)械強(qiáng)度方面來(lái)衡量往往是不夠的，還必須考慮適當(dāng)?shù)臒釕?yīng)力狀態(tài)。鋁合金和灰口鑄鐵是鑄造活塞經(jīng)常選則的材料，其中當(dāng)鋁合金的溫度達(dá)到300時(shí)，它的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)下降50%，當(dāng)溫度達(dá)到350左右時(shí)，達(dá)到它的材料允許極限，當(dāng)鋁合

34、金活塞的溫度在380400或者更高的時(shí)候，活塞不能保證可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，出現(xiàn)疲勞裂縫損壞?；钊淖畹蜏囟纫灿邢拗疲荒艿陀谄湎孪拗?，因?yàn)楹蛉剂嫌扇紵a(chǎn)生的冷凝物在過(guò)低的溫度下會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生酸性腐蝕。4.2 有限元模型的建立4.2.1 活塞主要參數(shù)本文所研究的2100t柴油機(jī)活塞材料為zl109共晶硅合金，柏松比為0.3，彈性模量為71gpa，密度 導(dǎo)熱系數(shù)為146.65w/mk 熱膨脹系數(shù)為20.96×10-6/k?；钊睆絛=99.78mm，沖程s=120mm，曲柄半r=s/2=60mm，連桿長(zhǎng)度l=200mm，=r/l=0.3，活塞質(zhì)量mip=2.3kg。4.2.2 三維幾何模型的建立

35、用proe建模后的活塞如圖4-1所示，然后導(dǎo)入ansys10.0后如圖4-2所示，采用六面體單元solid95來(lái)描述，然后在smart size中選擇劃分精度為“6”，然后在燃燒室和活塞銷(xiāo)座上精劃網(wǎng)格，選擇精度為“5”。如圖4-2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(duì)活塞的應(yīng)力分析影響不大，但是對(duì)這些非關(guān)鍵部位的孔和圓角進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，其余部分均按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。活塞的頭部圓錐和橢圓形裙部在建模過(guò)程中都未采用，大多數(shù)情況下都是用1/2模型進(jìn)行分析，因?yàn)檫@樣不會(huì)耗費(fèi)較多的計(jì)算和分析時(shí)間，但由于這樣會(huì)不可避免的帶來(lái)誤差，于是此次分析未考慮使

36、用。 圖4-1活塞整體和半剖模型 圖4-2導(dǎo)入ansys后劃分網(wǎng)格4.3 活塞溫度場(chǎng)邊界條件4.3.1 活塞的溫度邊界條件根據(jù)已有的研究成果和相似機(jī)型2120柴油機(jī)的邊界條件1416，估算得出2100t活塞在缸內(nèi)溫度最高時(shí)的邊界條件如表4-1:表4-1 活塞邊界條件邊界對(duì)應(yīng)區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)()環(huán)境溫度（k）燃燒室喉口435940側(cè)面420底部420頂部420936火力岸260480第一環(huán)上沿600470內(nèi)沿500下沿1500第一環(huán)和第二環(huán)之間環(huán)岸500465第二環(huán)上沿650460內(nèi)沿500下沿650第二環(huán)和第三環(huán)之間的環(huán)岸500440第三環(huán)上沿750435內(nèi)沿500下沿750第三環(huán)和第四環(huán)之間

37、的環(huán)岸500430第四環(huán)上沿750420內(nèi)沿600下沿750活塞內(nèi)腔頂部800360裙部3003634.4 活塞溫度場(chǎng)有限元分析 在前面的有限元模型基礎(chǔ)上，在ansys中輸入活塞材料特性，加載表4-1中的邊界條件，進(jìn)行活塞的溫度場(chǎng)計(jì)算，經(jīng)多次修正，在后處理器中得到了如下結(jié)果。 從圖4-4 整體上看出，活塞的溫度分布很不均勻，活塞頂部溫度非常高，2100t柴油機(jī)用的是球型偏置燃燒室，它的第一環(huán)槽，燃燒室側(cè)壁和喉口的溫度比較高，特別是喉口溫度達(dá)到了活塞的最高溫度：570.907k(對(duì)應(yīng)圖中標(biāo)識(shí)mx的位置)活塞最低溫度為：454.778k，在活塞最底部(對(duì)應(yīng)圖中mn的位置)兩者相差有將近100k，這

38、導(dǎo)致了活塞很大的熱應(yīng)力。 由圖4-5中科看出燃燒室喉口處出現(xiàn)了整個(gè)活塞的最高溫度：570.907k，此處常常由于熱疲勞而產(chǎn)生裂紋。 活塞的頂部是主要受熱，受力部分，其溫度較高，最高為：558.004k，最低為：553.051k，最低溫度在遠(yuǎn)離燃燒室一側(cè)頂面邊緣處，燃燒室偏置一側(cè)頂面溫度較另一側(cè)高，這與活塞頂部傳熱方式有關(guān)?；鹆Π镀骄鶞囟仍冢?53.903k左右，燃燒室偏置一側(cè)的火力岸溫度較高為：561.393k，另一側(cè)較低：545.101k。我們可以看到溫度在經(jīng)過(guò)第一道活塞環(huán)后，溫度降為：532.192k，可見(jiàn)第一道活塞環(huán)的重要和經(jīng)受的熱負(fù)荷。但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，第一道環(huán)的溫度很接近一般潤(rùn)滑油的結(jié)

39、膠溫度：493k，如果長(zhǎng)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(rùn)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。這里與之前活塞第一環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)考慮不用矩形環(huán)相吻合，梯形環(huán)的側(cè)隙相應(yīng)發(fā)生變化，能把膠狀油焦從環(huán)槽中擠出，促使間隙中的機(jī)油更新。從第一道活塞環(huán)槽到活塞裙部溫度逐漸降低，第二道活塞環(huán)平均溫度為：519.294k，第三道環(huán)的溫度：519k左右，油環(huán)溫度由于受到噴油冷卻的影響其溫度在：506.391k，活塞裙部的溫度較低為：454.778k左右。內(nèi)腔中部由于沒(méi)有收到機(jī)油冷卻的作用。我們看到它的溫度較高為：480.585k。 活塞頂部所承受的氣體壓

40、力將通過(guò)銷(xiāo)座和活塞銷(xiāo)傳給連桿，所以銷(xiāo)和銷(xiāo)座要求有一定的剛度，足夠承受壓面和良好的耐磨性并且溫度不能太高，以免引起銷(xiāo)座的疲勞，由圖4-4得活塞銷(xiāo)的溫度較低，在467.681k左右。由圖4-6和4-7活塞溫度梯度分布云圖我們可以看到，溫度梯度最大的位置在活塞第一環(huán)槽，其值為：3475k/m，火力岸和裙部的溫度梯度都較小，大部分溫度梯度值都在：1158k/m。由圖4-8和4-9活塞熱流密度分布云圖我們得到，活塞第一環(huán)槽的熱流密度較大：0.509×106w/m2，第二道活塞環(huán)：0.339×106w/m2，第三道活塞環(huán)：0.282×106w/m2，第四道活塞環(huán)：0.226&

41、#215;106w/m2，而活塞的其他部分的熱流密度主要在0.566×105w/m2左右，遠(yuǎn)小于活塞環(huán)的熱流密度，這和活塞組吸入的熱量約占攻入內(nèi)燃機(jī)總熱量的2%4%,這部分熱量的散發(fā)主要通過(guò)環(huán)帶部（約占60%75%）和裙部（約占20%30%），僅少部分（約占5%10%）通過(guò)活塞內(nèi)腔飛濺的機(jī)油帶走,相吻合。 圖4-4 活塞溫度分布圖 圖4-5 活塞頂面溫度分布圖 圖4-6 活塞側(cè)面溫度梯度分布云圖 圖4-7 活塞溫度梯度分布云圖 圖4-8 活塞熱流密度矢量分布云圖 圖4-9 活塞頂熱流密度矢量分布云圖 4.5 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ansy

42、s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(guò)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(guò)相關(guān)機(jī)型和已經(jīng)研究出來(lái)的成果，確定活塞各部位邊界條件。活塞的最高溫度出現(xiàn)在了燃燒室喉口邊緣位置，主要原因是此處高溫氣流的流速較高，且遠(yuǎn)離冷卻部位。第一環(huán)槽的溫度：545.101k，超出了潤(rùn)滑油的結(jié)膠溫度，長(zhǎng)期在此負(fù)荷下工作的話，會(huì)在此處引起潤(rùn)滑油結(jié)膠，結(jié)碳等問(wèn)題。盡管梯形環(huán)能夠在側(cè)壓力作用下，將膠狀油焦從環(huán)槽中擠出，但是考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，必須降低其溫度。5 活塞機(jī)械負(fù)荷分析5.1 活塞的熱負(fù)荷5.1.1 活塞熱應(yīng)力有限元分析18,19,20通過(guò)上一章對(duì)活塞穩(wěn)定溫度場(chǎng)的分析我們

43、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(guò)采用間接耦合法，對(duì)活塞沒(méi)有加載任何機(jī)械應(yīng)力，通過(guò)上一章活塞溫度場(chǎng)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。從圖5-1和圖5-2可以知道，內(nèi)腔頂部較薄而且溫差比較大，熱應(yīng)力也集中，其最大應(yīng)力為：13.2mpa，四道活塞環(huán)槽下沿和活塞銷(xiāo)座上方外側(cè)的熱應(yīng)力都比較高，14.8mpa左右，熱應(yīng)力相對(duì)比較集中，易引起損壞，第一環(huán)槽還受到高溫燃?xì)獾淖饔?，更容易引起破壞，其主要原因是因?yàn)槔饨沁^(guò)渡，且熱流密度較高，熱阻較大，熱應(yīng)力集中，所以設(shè)計(jì)活塞結(jié)構(gòu)時(shí)，盡可能地不出現(xiàn)棱角尖

44、角等劇烈過(guò)渡。其他部位的熱應(yīng)力都比較低。由圖5-3和圖5-4可以看出是活塞的熱應(yīng)力位移等值云圖，我們可以從圖中可以看出，活塞因受熱向外膨脹，活塞頂部的溫度較高所以熱變形較大為：0.477mm，活塞頂與氣缸的裝配間隙為：0.5mm，活塞膨脹位移小于裝配間隙。 由圖5-5和圖5-6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：0.396mm，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：0.320mm。 圖5-1 活塞熱應(yīng)力云圖 圖5-2 活塞內(nèi)腔熱應(yīng)力云圖 圖5-3 活塞熱應(yīng)力位移云圖 圖5-4活塞頂面熱應(yīng)力位移

45、云圖 圖5-5 y方向上的熱位移云圖 圖5-6 x方向上的熱位移云圖 5.2 活塞的機(jī)械負(fù)荷5.2.1活塞受力分析 柴油機(jī)在工作的時(shí)候，活塞承受的氣壓力和慣性力是周期性變化的，因此活塞不同部分會(huì)受到交變的拉伸，壓縮和彎曲載荷。其中高溫燃?xì)鈮毫g，裙部法向壓力fn，活塞往復(fù)慣性力fj和連桿通過(guò)活塞銷(xiāo)對(duì)活塞銷(xiāo)座的支反力fb，如圖5-6所示：圖5-6 活塞受力分析5.2.2 活塞頂氣體壓力 由示功圖2-1知，曲軸轉(zhuǎn)角80時(shí)，缸內(nèi)爆發(fā)最大壓力pc = 9.0467mpa，此時(shí)活塞頂受到的氣體總壓力為： (5-1)式中：pc為最高燃?xì)獾慕^對(duì)壓力;p0為曲軸箱內(nèi)氣體的壓力，a為活塞頂部面積（d為氣缸直徑

46、） (5-2)經(jīng)(5-1)和(5-2)計(jì)算得：fg=70231.60n5.2.3 活塞往復(fù)慣性力 由于活塞在氣缸內(nèi)做周期性的高速往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生很大的慣性力。fj=-m×j (5-3)式中：m為活塞組件的質(zhì)量，本次活塞組件質(zhì)量為2.45kg ，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5-7 所示。加速度是位移對(duì)時(shí)間的兩次求導(dǎo)。圖5-7 幾何關(guān)系圖由圖5-7 的幾何關(guān)系可知，活塞的位移為： (5-4)由 (5-5)有 (5-6)得： (5-7)還可以通過(guò)牛頓二項(xiàng)式定理可簡(jiǎn)化為： (5-8) 求導(dǎo)的： (5-9)式中：= 60mm,= 200mm,=0.3 ，帶入

47、得： ，5.2.4 活塞裙部法向壓力的確定根據(jù)力的平衡關(guān)系，裙部受到的側(cè)壓力為： (5-10)由正弦定理和三角函數(shù)關(guān)系式可求的 ， ，代入相關(guān)數(shù)據(jù)得： (5-11)活塞銷(xiāo)座的支反力的確定： (5-12)活塞銷(xiāo)座支反合力為： (5-13)代入相關(guān)數(shù)據(jù)求得：fby=61971.72n；fb=62015.13n5.3 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5-1：表5-1 活塞機(jī)械負(fù)荷邊界條件力的性質(zhì)（n）作用的面積(m2)作用在活塞上的壓強(qiáng)(pa)0.16e-11.26e-67850e-65.4 活塞和機(jī)械負(fù)荷綜合有限元分析由圖5-8和圖5-9，在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷兩種載荷的綜

48、合作用下，最大的應(yīng)力為：99.7mpa，活塞銷(xiāo)座上部外側(cè)即受到較大的熱應(yīng)力又受到較大的銷(xiāo)座支反力，活塞銷(xiāo)的變形中間往上，兩端往下變形，造成了對(duì)活塞銷(xiāo)座底部外側(cè)壓縮，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。還可以發(fā)現(xiàn)在活塞銷(xiāo)座上部?jī)?nèi)側(cè)與活塞內(nèi)腔頂部區(qū)域的應(yīng)力也很大，為：33.3mpa，這里是活塞銷(xiāo)座上部設(shè)計(jì)出大塊加強(qiáng)筋的原因。活塞燃燒室內(nèi)綜合應(yīng)力都比較小，在11.2mpa左右，只是活塞銷(xiāo)正上方的燃燒室底部綜合應(yīng)力較大，為：22.4mpa。第一，二環(huán)槽下沿的綜合應(yīng)力較小，為：11.3mpa左右，活塞環(huán)槽區(qū)主要是熱負(fù)荷作用，油環(huán)槽由于同時(shí)還受到活塞銷(xiāo)的支反力，所以綜合應(yīng)力較大。活塞內(nèi)腔頂部中心綜合應(yīng)力相對(duì)較小，因?yàn)橹皇艿綗釕?yīng)

49、力的作用，受到機(jī)械載荷的影響較小?；钊共康木C合應(yīng)力較小，大都在10mpa以下。圖5-10 和 圖5-11 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：0.47mm，活塞最小變形在內(nèi)腔頂部中央。對(duì)活塞銷(xiāo)座進(jìn)行了嚴(yán)格的約束，約束位移為：0mm。但是在活塞實(shí)際工作過(guò)程中，活塞銷(xiāo)受到活塞通過(guò)銷(xiāo)座接觸副傳過(guò)來(lái)的力和熱量，都會(huì)引變形。所以在圖5-10中，活塞銷(xiāo)座附近的變形為：0mm。這是此次分析中的不足之處。圖5-12顯示出活塞的變形方向，由于活塞裙部主推力一側(cè)比次推力一側(cè)變形量大，活塞變形方向主要是徑向向里和活

50、塞軸線向下，而活塞銷(xiāo)座和裙部的變形量都很小。 圖5-8 活塞熱力耦合云圖 圖5-9 活塞內(nèi)腔熱力耦合云圖 圖5-10 活塞熱力耦合位移云圖 圖5-11 活塞熱力耦合內(nèi)腔耦合位移云圖 圖5-12 活塞熱力耦合外形變化5.5 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(duì)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：13.2mpa和14.8mpa之間。內(nèi)腔頂部，油環(huán)槽下沿和活塞銷(xiāo)座上方外側(cè)的熱應(yīng)力都比較高，活塞其他地方位置的熱應(yīng)力較小。活塞火力岸和活塞頂

51、面的邊緣為活塞的最大熱變形位置，其值為：0.477mm?；钊共康呐蛎涀冃畏较蚺c活塞銷(xiāo)軸線垂直，使得活塞裙部趨于長(zhǎng)軸在活塞銷(xiāo)座上的橢圓。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：99.7mpa，在活塞銷(xiāo)座上端?；钊铜h(huán)槽內(nèi)側(cè)與活塞內(nèi)腔頂部鏈接處的綜合應(yīng)力也比較大?；钊淖畲笞冃翁幵诨钊斉c火力岸的邊緣，其值為0.476mm，活塞的最小變形在內(nèi)腔中央。6 總結(jié)本文主要是對(duì)2100t二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要研究和結(jié)論如下：（1） 活塞的最高溫度（570.907k）出現(xiàn)在燃燒室喉口邊緣處，最低溫度出現(xiàn)在活塞裙部底部(454.778k)；第一環(huán)槽的溫度(532.192k)是溫度梯度和熱

52、流密最大處其值為：(0.509×106w/m2)。（2） 表6-1列舉了活塞材料zl109隨溫度變化的強(qiáng)度，參考表6-1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(14.8mpa)，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。活塞銷(xiāo)孔下端周?chē)軣崤蛎浻捎谑艿交钊N(xiāo)的牽制也產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力。火力岸和活塞頂面的邊緣為活塞的最大變形位置。表6-1 zl109的強(qiáng)度溫度150250350抗拉強(qiáng)度（mpa）230180100抗壓強(qiáng)度（mpa）22517095（4） 參照表6-1，在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷耦合的作用下，活塞最大的應(yīng)力(99.7mpa)，位于活塞銷(xiāo)座上端內(nèi)側(cè)，小于活塞在該溫度下的屈服強(qiáng)度。貯油孔壁下端和活塞銷(xiāo)座上端綜合應(yīng)力也比較大。活塞的最大變形為：0.303mm，出現(xiàn)于活塞項(xiàng)與火力岸的邊緣，在燃燒室偏置的一側(cè)，