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船用发动机活塞头的强度分析

发布于:2015-12-19 21:48
活塞强度分析

      活塞头在高温高压燃气的作用下产生局部应力过大现象甚至产生疲劳裂纹,这就需要在设计之初对柴油机的活塞头进行强度分析。以往研究对四冲程柴油机的活塞进行分析,得到活塞的温度场和应力分布,并对活塞进行热负荷与机械负荷的耦合分析,得到应力及应变分布。对柴油机活塞热负荷和机械负荷进行了更进一步的研究,利用多体动力学研究了活塞的侧推力,并在研究中考虑了侧推力对活塞强度的影响。在此基础上,以船用柴油机的活塞头为研究对象,以热分析为基础,在ANSYS中分析活塞头在不同负荷下的强度,得出活塞头的危险区域,为后续的结构设计、性能改进以及日常的维护和管理提供帮助。
      某型号柴油机是曼企业生产的缸径为二冲程6缸超长行程凸轮控制直流船用柴油机。根据设计图,使用Pro/E对活塞头进行建模,然后导入ANSYS进行分析。
      柴油机的活塞头要承受热负荷和机械负荷的共同作用,为了满足船用柴油机的强度和可靠性要求,结合实际情况,试验采用耐热合金钢,泊松比为0.3。
      计算得出的活塞头与周围环境的平均传热系数以及周围环境的平均温度为边界条件,计算活塞头温度场分布,最高温度433.8℃,出现在活塞头顶面边沿处,自上而下温度逐渐减低,冷却油腔及第一道活塞环区域均没有超过200℃,与实测温度基本相符。
      为了计算活塞头的可靠性,需要对活塞头进行热负荷、机械负荷,以及热负荷与机械负荷藕合作用下的强度分析。以活塞头的温度场为边界条件,在ANSYS中对活塞头进行强度分析,得到活塞头的热变形和热应力,得到活塞头的热应力分布,最大热应力696MPa,出现在冷却油腔内振荡冷却孔、活塞顶面、活塞侧面的结合处,在局部表现为表面应力大于内部应力,整体来看受热较大的活塞头顶面应力较大。最大变形位于活塞顶面边沿,最大变形1mm,总体上沿活塞头径向方向自内而外变形越来越大,沿轴向方向自上而下变形越来越小。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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