摘 要

活塞是发动机中最重要的零部件之一，其在工作中承受着热负荷及机械负荷的共同作用，工作环境十分恶劣。活塞结构设计的好坏，将直接影响到能量转换过程中的损失，对发动机的效率有着重大的影响。随着发动机的日益发展，如何解决传热过程中的能量损失也越来越受到重视。为了降低能量在活塞顶部向外传递时的损失，学者们对活塞顶部涂覆热障涂层进行了研究。研究热障涂层对活塞温度场和耦合应力场的影响规律研究十分重要。本文围绕这一问题展开研究。

1. 利用AutoCAD绘制活塞平面图。根据平面图在Pro/E中建立活塞三维模型，并导入有限元分析软件ANSYS workbench中。利用经验公式和活塞参数计算得到活塞的边界条件，对活塞稳态温度场进行数值仿真。

（2）通过资料得到活塞热障涂层相关参数，在workbench中建立热障涂层活塞几何模型。对热障涂层活塞温度场进行仿真计算。

（3）在热障涂层活塞稳态温度场的基础上求得活塞的热变形和热应力。并通过计算得到热障涂层活塞在最大爆发压力点时机械变形和机械应力。在热负荷与机械负荷共同作用下，计算得到热障涂层活塞热机耦合应力和变形。

关键词： 天然气发动机；活塞；热障涂层；数值仿真；热-机耦合分析

Abstract

The piston is one of the most important parts in the engine,it is subjected to the combined action of thermal load and mechanical load in the work.The working environment is very bad.Piston structure design will directly affect the energy conversion process of the loss, the efficiency of the engine has a significant impact.With the increasing development of the engine, how to solve the energy loss in the heat transfer process has become more and more attention.In order to reduce the energy on the top of the piston outward transfer of losses, scholars have studied the piston top coating of thermal barrier coatings.Study on thermal barrier coating on the temperature field and coupling effects of stress field is very important.This paper focuses on the problem.

(1) Using AutoCAD to draw the piston plan.The three-dimensional model of the piston is established in Pro/E according to the plan, and the finite element analysis software workbench ANSYS is introduced.The boundary condition of the piston is calculated by the formula and the piston parameters, and the steady state temperature field is simulated.

(2) The piston thermal barrier coating related parameters are obtained through data, establish the geometric model in workbench piston thermal barrier coating.Simulation of piston temperature field of thermal barrier coatings.

1. Obtained based on piston temperature field of thermal barrier coatings on piston thermal deformation and thermal stress.And get the maximum pressure in the piston thermal barrier coating when mechanical deformation and mechanical stress by calculation.In the action of mechanical load and thermal load, the calculated thermal barrier coating piston coupling stress and deformation.

Key Words：natural gas engine; piston; thermal barrier coatings; numerical simulation ; thermal mechanical coupling analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2热障涂层研究现状 1

1.3 本文主要研究内容及方法 2

第2章 天然气发动机活塞温度场仿真研究 3

2.1 发动机活塞的热分析相关理论 3

2.1.1 发动机活塞的导热微分方程 3

2.1.2 活塞传热的三类边界条件 4

2.1.3 活塞导热微分方程的有限元解法 5

2.2 发动机活塞稳态温度场数值仿真分析 5

2.2.1天然气发动机活塞的材料及特性 5

2.2.2发动机活塞三维模型的建立 7

2.2.3活塞三维模型的网格划分 8

2.3活塞温度场的热边界条件 8

2.4 活塞稳态温度场的仿真计算与结果分析 10

2.5本章小结 12

第3章 天然气发动机热障涂层活塞温度场仿真研究 13

3.1 热障涂层活塞的相关特性 13

3.1.1热障涂层活塞结构 13

3.1.2 热障涂层活塞材料 13

3.2 热障涂层活塞温度场数值仿真分析 14

3.2.1 模型建立及网格划分 14

3.2.2 热障涂层温度场仿真结果与分析 15

3.3 不同涂层厚度温度场分布情况 16

3.4 本章小结 19

第4章 天然气发动机热障涂层活塞可靠性分析 20

4.1 天然气发动机热障涂层活塞热应力理论研究 20

4.2 热障涂层活塞活塞热应力的仿真计算 22

4.2.1 活塞热应力产生机理 22

4.2.2 热障涂层活塞热负荷计算结果 22

4.3 天然气发动机热障涂层活塞机械应力理论分析 23

4.3.1 活塞机械负荷理论分析 23

4.3.2 活塞机械负荷计算的边界条件 24

4.4 热障涂层活塞热-机耦合数值仿真分析 25

4.4.1 热-机耦合仿真理论 25

4.4.2 热障涂层活塞热-机耦合结果分析 25

4.5 本章小结 28

第5章 总结 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着人们环境保护意识的不断增强以及排放法规的日益严格，要求发动机不仅要有良好的动力性、经济性，还要有较低的有害物排放。天然气作为代用燃料，由于其储量丰富、自身燃烧完全、排放较低等优点，在发动机中得到了广泛应用。目前天然气发动机是应用最广泛的动力机械之一。现在发动机向着高速、高增压、大比功率、良好的动力性、经济性等方向发展。由于发动机单位体积功率的不断增加，导致了发动机主要各部件的热负荷、机械负荷增加，严重阻碍了发动机可靠性的提高。因此，发动机的负荷也越来越受到设计者的关注^[1]。在燃烧室组件中，活塞的工作环境最为恶劣。其一就是因为它承受着巨大的、高频热负荷；其二是它还要承受着很大的机械负荷，包括气体的压力、惯性力以及由此产生的侧作用力；其三发动机还要接受一部分摩擦生成的热量；其四是很大且不均匀的变形；其五是强烈的磨损；其六是高温腐蚀^[2]。

活塞作为发动机的关键零件之一，其可靠性几乎决定了发动机整机的可靠性。因而为降低活塞的本体温度及热负荷，采取在活塞顶部喷涂隔热层的技术方法。对热障涂层活塞的热负荷及可靠性的研究是其关键^[3]。如果在燃烧室采用热障涂层材料(陶瓷材料)与金属相复合来处理受热体表面,则可起到热障的作用。陶瓷耐高温,可用承受热负荷。金属韧性好,可用来分担机械负荷,因而满足活塞同时承受高的热负荷和强大的机械负荷的要求,并降低了冷却带来的热损失,减小或取消冷却系统,从而发动机的体积和重量得到减小。同时提升排气温度，使其转变为有用功,从而提高热机效率^[4]。综上所述，热障涂层活塞的热负荷及可靠性的研究对于提高发动机的工作效率及使用寿命，提升发动机的强化潜力有着重要作用。

1.2热障涂层研究现状

为了适应活塞恶劣的工作环境，目前开发了热障涂层技术。热障涂层用于活塞的高温表面，起到隔热的作用。可以降低活塞的表面温度，从而提高发动机的整体效率。目前世界范围内对热障涂层的材料及制备方式等进行了大量的研究工作。