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车用发动机复合材料增强活塞分析研究

发布者:阿强来源:

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车用发动机复合材料增强活塞分析研究郑永刚1,张国华1,赵士博1周裕干2 g.山东滨州渤海活塞股份有限公司技术中心,山东滨州256631;。山东省内燃机研究所,山东济南250014)讨复合材料强化的方式与结构尺寸对温度场与应力分布及变形影响的趋势。复合材料增强活塞技术已在几种车用发动机活塞上进行了推广应用经有限元分析、机械物理性能的测定及发动机性能的测试表明复合材料增强活塞结构设计合理,热疲劳强度和抗热应力、机械应力和变形的能力得到较大的改善,活塞工作能力提高,能更好地满足汽车发动机增压强化的需要。复合材料增强活塞技术有着广泛推广应用的前景。

车用发动机复合材料增强活塞分析研究

关键固复合材料活塞有限单元法和应用。

-汽车工艺与材料对于活塞环槽的磨损,目前国内外通常采取加奥氏体铸铁镶圈的措施,但镶圈使活塞的重量增加,传热受阻,成本较高。为此,可采用复合材料局部强化活塞环槽代替奥氏体铸铁耐磨镶圈,同时用以强化燃烧室口周边及其它部位。

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以钼合金为基体的金属基复合材料使用的纤维有多种通过改变起强化作用的纤维的种类、长短、形状、数量、分布状况和取向以及使用颗粒材料可以改变活塞材料的性能,使活塞的耐磨性、抗拉缸性、导热性和高温强度等提高。用复合材料强化活塞环槽时,还克服了用奥氏体铸铁耐磨镶圈阻断热流的问题,改善活塞头部的热负荷减小运动质量。陶瓷纤维增强的钼合金活塞的寿命比普通钼活塞一般可提高1倍以上。颗粒陶瓷一般为al23、ic和c颗粒,其复合工艺是把陶瓷颗粒经过特殊处理后用特种方法加入到钼液中,使其弥散分布,然后挤压铸造成型可用于活塞的整体和局部增强。纤维陶瓷和颗粒陶瓷制成的预制件,根据需要可增强环槽和燃烧室口等特定部位。

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在强化柴油机上采用复合材料活塞不仅可提高活塞寿命和可靠性,而且燃油耗、机油耗及噪声有所下降。改用钼基复合材料镶圈后,镶圈成本可下降45%~50%,如果用液态挤压局部增强的活塞,则可降低成本60展了工艺试验并浇注加工了复合材料强化活塞,除了d495q2a活塞采用颗粒陶瓷局部增强外其余均为陶瓷纤维局部增强。此外还用液态挤压铸造法进行了s6102c2汽油机和的试验。

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1几种典型机型的复合材料增强活塞研制开发的几种典型机型的陶瓷复合材料增强的钼合金活塞示意于其中图la为玉林柴油机厂yc6108qa复合材料活塞结构形式;图lb为玉林柴油机厂yc6112tz复合材料活塞结构形式;a为无锡柴油机厂6110z复合材料活塞结构形式;图id为潍坊柴油机厂6200z复合材料活塞结构形式。活塞基体材料选取与原活塞材料相同的zl109磷变质共晶硅钼合金,陶瓷纤维一般采用莫来石纤2活塞温度场分析活塞工作温度是判断活塞设计是否合理的重要依据之一。温度场的求解有数据计算法和试验模拟方法。采用美国惠普公司hp700系列工作站和美国eds公司ug!geea有限元软件,三维活塞模型进行了网格单元细化,有限元分析软件解算程序进行了芫善。由于国内外对气缸传热进行了大量的实际测试和计算模拟,使活塞工作温度边界条件的确定精度提高。活塞的三维有限元分析在计算精度和实用性方面已能满足要求。

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在进行温度场的有限元计算时,先准备好活塞三维造型对活塞三维模型进行轴对称处理取四分之一活塞建立了有限元计算的三维模型,由软件的自动网格单元划分功能自动芫成网格单元的划分。然后将活塞材料特性及边界条件等输入工作站,计算机自动芫成活塞热传导的有限元分析解算。经过有限元后置处理程序,就能得到高彩图等多种形式的结果显示。

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工作流程:制作三维有限元模型!有限元网格划分!材料特性数据!加入边界条件!有限元热传导模块解算!后置处理模块!温度场的结果显示。

对象进行了有限元热传导的分析解算,并显示了相应温度场的计算结果和活塞典型部位的工作温度。yc6108qa发动机活塞的工作温度在112.7=326.3之间yc6112tz发动机活塞的工作温度在112.9=349.4之间两者最大工作温度差为25.从分析中可以看出两种活塞的工作温度场基本上满足活塞工作温度的设计指标。应当指出,yc6108qa、yc6112tz发动机活塞燃烧室和顶环槽处的工作温度已接近设计上限,在不更改活塞设计的情况下,需要采取进一步的冷却措施。

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在传热分析中!截面无热量传递,作为绝热边界条件处理。活塞从燃烧室中的热气流接受热量将热量由活塞环岸、活塞环、活塞内腔拱形表面、活塞销座和活塞裙部等传散出去。在传热分析中;将活塞作为隔绝系统处理。先要规定边界条件,包拮环境温度和活塞表面处的传热系数x活塞温度场的计算模型如所示。图中为从顶部传入的热量私为从环岸传出的热量;为从环槽传出的热量;为从裙部传出热量为从内腔传出的热量。

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活塞热交换边界条件主要依据同类发动机实测温度和边界条件经验公式初步确定,然后依同类或相近机型的已知边界条件对温度场逐步修正使之与实际相吻合。对yc6108qa、yc6112tz发动机活塞的平均燃气温度分别取900和1100对活塞进行有限元热传导的分析解算。

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活塞销孔的边界条件是一个滑动磨擦边界其热传导系数已经用于三维有限元分析。在这种情况下,要考虑绕活塞销周围传到活塞底部的热流。在此边界条件下热传导系数与气缸套相当。冷却油温度采用发动机进口基本温度的平均值或估计值。介质温度取稍高于冷却油的温度。从yc6108qa、yc6112tz活塞温度场分析来看,其活塞结构设计合理度场分布表明活塞能适应发动机工作要求。经复合材料对整个顶面增强后,活塞最高工作温度有所下降,活塞的工作能力提高。

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3活塞热应力、机械应力及变形分析3.1活塞的热应力与热变形分析首先以计算活塞工作温度的三维有限元模型为基础输入材料特性值和约束条件同时将活塞温度各节点的温度直接加入到分析模型上,计算机自动进行活塞热应力和热变形的有限元程序解算,经数据处理后就能得到多种形式的结果显示。

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3.2活塞强度评价分析设计的最后阶段是比较工作压力和材料强度,并确定整个活塞的安全程度。从活塞的断裂机理来看,活塞的断裂形式主要有循环断裂或静止断裂两种形式。使用中大多为疲劳破坏、或长周期循环疲劳或高应变疲劳其中长周期循环疲劳较为多见。高应变疲劳与周期性机械负荷有关,活塞头部的高应变疲劳则与周期性温度变化有关。静止断裂通常发生在疲劳破坏的最后阶段,偶尔也会发生在载荷突变如拉缸之际。

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根据已知活塞的疲劳强度、抗拉强度和安全系数以及考虑到约束对应力的影响等因素,平均应力与应力幅都未超过许用强度极限范围,而且有一定量的裕度,可见活塞的强度是足够的。

分析表明,复合材料增强的yc6108'a、yc6112iz活塞是成功的其热疲劳强度和抗热应力、机械应力和变形的能力得到较大的改善,能更好地满足汽车发动机增压强化的需要。

4力学性能与装机试验决定增强钼合金复合材料的力学性能的技术关键有以下几点。复合材料所用纤维的种类、直径、形状、数量、分布情况及取向可以在较大范围内改变复合材料的性能使活塞的耐磨性、抗拉缸性、导热性和高温强度提高因此复合材料预制件的质量是提高活塞性能的关键。此外用重力法生产还存在界面结合问题要采取相应措施。预制件的预热温度必须严格控制。另外选择不同的铸造及热处理工艺可得到不同的力学物理性能。

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复合材料的导热系数介于66-1共晶钼硅合金和奥氏体高镍铸铁之间而al)03f/al与sicp/al两种复合材料的导热系数明显高于奥氏体铸铁,所以用复合材料局部增强活塞环槽时,与镶高镍奥氏体铸铁镶圈相比使第一环槽的热流明显得到改善使活塞顶部的温度降低。

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sicp/al和alaf/al复合材料在3005时,热膨胀系数比高镍奥氏体铸铁高11!左右,故这两种复合材料局部增强环槽后在活塞工作温度范围内,由于与活塞本体材料热膨胀系数差别减少而使其与本体材料的结合要比奥氏体铸铁圈好。从几种耐磨材料与活塞环的平均磨痕宽度来判断2l108、66-1和cu-cr-m;合金铸铁活塞环的相容性均比al)0/f/al和sicp/al差,而高镍奥氏体铸铁镶圈与活塞环材料的相容性最差。

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通过活塞力学、物理性能的测定及发动机性能的测试表明,复合材料增强钼合金材料均比普通单金属钼合金活塞有较大的提高,特别是作为活塞性能提高的关键,高温疲劳强度和耐磨性更为显著。可见,复合材料增强钼合金材料的力学性能可更好地适应活塞的工作条件,尤其能满足内燃机高速高负荷条件下对活塞的要求。

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复合材料强化活塞在无锡柴油机厂的6110z型增压型柴油机上进行了多次试验,复合材料镶圈活塞未发现有任何异常现象。总功率特性试验表明性能良好。

复合材料强化活塞环槽的d495qa活塞(基体材料为zl109g)与普通zl109g材料活塞在同一台柴油机上进行了可靠性试验,发动机以全速全负荷连续运行,可靠性试验前后分别进行了总功率试验及负荷特性试验等。由于整个试验过程情况良好,性能稳定机械效率还提高了0.15%.测试结果表明,复合材料强化活塞第一道环槽的平均磨损量为普通活塞(基体材料均为zl109g)的51.4%,而最大磨损量则为51.9%.两者第一道气环(环高)的磨损值则基本相近。表明用复合材料强化活塞第一道环槽后耐磨性较好,其磨损量只有普通活塞材质的一半左右与镶奥氏体铸铁环槽的活塞使用情况基本相当。

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小结复合材料强化活塞是一项适应增压和增压中冷机型的新技术。由于对活塞的设计、强化技术和评价技术的重要性曰益突出,有限元分析法分析预测活塞的工作温度和有限元评价技术在发动机及零部件上的应用已变得十分重要。

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b.从yc6108qa、yc6112tz活塞温度场分析来看其活塞结构设计合理度场分布表明活塞能适应发动机工作要求。经复合材料对整个顶面增强后,活塞最高工作温度有所下降,活塞的工作能力提高。

汽车工艺与材料其热疲劳强度和抗热应力、机械应力和变形的能力能的测试,复合材料增强钼合金材料均比普通单金得到较大的改善,能更好地满足汽车发动机增压强属钼合金活塞有较大的提高,特别是高温疲劳强度化的需要。和耐磨性等关键性能的提高更为显著。

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c.通过活塞力学、物理性能的测定及发动机性任编辑良文)上接第89页)3结论鉴于pp本身的特点,随着pp改性技术和涂饰工艺的提高,改性pp将逐步替代部分工程塑料同时在汽车上的应用也将越来越广泛。

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