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《浙江大学》 2002年
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活塞热冲击与随机传热过程的研究

沈季胜  
【摘要】: 本文以内燃机主要受热零件一活塞的热冲击作为研究对象,在所研制的活塞热疲劳摸拟试验台上,进行了活塞热冲击的试验。同时建立活塞热冲击的集总参数、1维平壁和2维模型,应用Mathematic软件和ANSYS软件,对所建立的活塞热冲击模型进行了解析和数值分析,利用模拟计算与试验结果相结合的方法,获得接近于内燃机活塞热冲击的温度场与热应力场分布,从而更加全面深入地了解在热冲击条件下活塞的温度场和应力场变化规律。最后,将随机理论应用于活塞随机热冲击的研究,获得在随机热冲击条件下活塞温度场和应力场的特殊规律。上述试验和理论研究结果将为活塞热损伤的研究打下良好的基础,同时也为探索活塞热疲劳寿命预测提供了理论和试验手段。 本文主要内容及创新之处如下: (1).对活塞在受热冲击条件下的热状态进行了较为全面的研究。首次建立了活塞在受到矩形波、三角形波、瞬态冲击等热激励时的温度变化的集总参数模型,进而获得了在上述热冲击下活塞温度的解析解及稳态解。 (2).提出了活塞热冲击的1维平壁模型和2维有限元活塞温度计算模型,获得了矩形波热激励时的温度变化和热应力的解析解及数值解,得到了活塞在矩形波温度作用下的温度分布和应力分布。 (3).本文首次给出了当系统为集总参数模型、1维模型,激励为随机矩形波时的解析解。在此基础上,获得活塞温度变化的均值、均方值计算公式。活塞的集总参数模型给出了活塞随机温度随时间变化的基本的规律,为定性分析活塞随机变化规律提供了工具。活塞的一维模型给出了在随机激励下,活塞温度随深度变化的基本规律。本文提出的迭代法求解随机温度解析解,适应性广,计算工作量小,对研究不同的周期性随机激励下的活塞温度场及其它领域的随机温度也适用,开创了利用数值法研究随机温度场的新思路。其原理完全适用于计算3维有限元活塞随机温度或采用其它数值方法(差分法、离散化法、边界元法、……)计算随机温度场。 (4).自行研制了国内首台热冲击试验台,营造了活塞热状态摸拟环境。试 摘 要 验台在高度自动化、活塞热状态摸拟和控制策略等方面均有所创新。在该试验台 上获得了6150柴油发动机活塞热冲击的试验数据,为活塞热冲击和热疲劳研究 提供了有力的手段。 u人 上述模型应用于6150柴油发动机活塞,计算结果与热冲击试验台的 测试结果进行了对比表明:在活塞热冲击试验的条件下,矩形波平壁模型能够较 好地描述实际的试验状况。随机模型比经典导热模型更符合活塞温度的实际变化 规律。本文介绍的三个模型中,2维有限元模型的温度变化规律最与实际吻合; l维模型能基本反映活塞的温度变化;用集总参数模型计算活塞温度,必须对随 机激励作较大修正,模型参数作较大假定才能得到与实际相近的结果。由于本文- 在活塞随机温度方面的工作是开创性的,上述模型为人们研究随机温度变化规律 提供了较全面的理论基础。 本文得到国家自然科学基金(59876034)“内燃机活塞在随机热冲击下非线 性导热的理论与实验研究”资助。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TK401

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