铝基陶瓷纤维复合材料增强活塞销座的性能研究
近几年，随着柴油发动机不断的向大功率、高负荷方向发展，使发动机的最大爆发压力不断提高。作为承受载荷的主要部位——活塞销孔上侧面，容易出现疲劳开裂等故障现象，因此对活塞销座可靠性研究显得非常重要。在活塞销座处镶铜衬套的措施虽然解决了上述问题，但铜衬套与活塞本体是分离的两部分，在热负荷及机械载荷的作用下容易造成铜衬套脱落的风险，且铜衬套成本较高，占活塞整体成本的四分之一左右。 本文主要研究了铝基陶瓷纤维复合材料对于活塞销座的影响。在材料研究中心测量了活塞材料的性能，并通过对活塞温度场测试得到了活塞的热边界条件。然后运用正交试验表 L9(34)对销孔型线、活塞销与销孔的间隙以及增强体（铝基陶瓷纤维复合材料）的厚度这三个因素设计了9组试验，外加一组常规镶铜衬套的试验（10号）作为对比方案。然后利用 workbench对活塞进行了模拟分析得到正交试验的最优组合，然后对最优组合以及对比方案进行了疲劳分析，验证了含有增强体活塞的可靠性。 主要研究内容和结论如下： （1）在材料研究中心测试了活塞材料性能、温度场。其中包括材料的抗拉强度、线膨胀系数等性能参数；并在额定工况下采用硬度塞法对活塞进行了温度场测试，得出了活塞不同部位的平均温度值。 （2）在 Ansys-workbench中施加了热边界条件并计算得到温度场。将实测得到的平均值与温度模拟值进行对比发现，偏差均在5%以内，这说明施加的热边界条件与真实边界条件具有较好的一致性，为后续的分析提供了良好的基础。 （3）对由正交表设计的含有铝基陶瓷纤维复合材料9组试验及对比试验进行了热负荷、机械负荷以及耦合分析。这9组试验的最大耦合变形相比10号试验有不同层度上的降低，其中6号方案变形量最小为317.98μm，比10号降低了3.6%这会对润滑油膜起到一定的保护作用。 （4）通过极差法得出了销孔型线为2号、间隙为0.015mm、增强体厚度为12mm的活塞销孔为最优组合方案（即 A2B3C3）。然后对最优组合进行了建模分析，发现其活塞销座耦合等效应力相比镶铜衬套方案降低了28.8%，且远低于铝基陶瓷纤维复合材料的应力极限，满足了活塞的结构强度需求；并对燃烧室喉口处进行耦合等效应力以及第一主应力进行模拟分析，结果表明，燃烧室喉口部位的应力远小于活塞基体材料的应力极限89MPa，故燃烧室喉口部位不会发生疲劳开裂。 （5）利用 Fatigue Tool模块对最优组合方案（即 A2B3C3）与10号镶铜衬套对比方案进行了疲劳寿命、损伤以及安全系数的分析计算。发现使用增强体的措施会使活塞的疲劳寿命降低了56.3%，但仍能满足发动机连续运转的最大要求和实际工程需要，不会发生疲劳失效，说明含有增强体的活塞是具有可靠性的。
正交试验;陶瓷纤维;复合材料;活塞销座;耦合应力;柴油发动机
山东理工大学
硕士
动力机械及工程
刘世英
2017
中文
TK423;TB332
74
2018-04-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）