摘 要

随着内燃机技术的不断发展，热负荷一直是影响发动机功率和寿命的主要因素，尤其是活塞热负荷问题在其中起着重要因素。活塞在发动机中属于高速运动件，过高的热负荷会导致活塞热变形，磨损加剧，燃烧室密闭性恶化，最终导致发动机不能正常运行。

以陶瓷为主的活塞热障涂层材料具有耐热性，高熔点，起到了保护活塞基体金属材料的作用。为了评估和分析热障涂层对活塞的热负荷的影响，对活塞的温度场做仿真计算研究具有重要的意义。

本文以玉柴某型号发动机活塞作为研究对象，主要研究内容如下：

(1)根据该型号发动机活塞图纸，使用三维建模软件CATIA建立活塞的实体三维模型。考虑到后期对活塞添加热障涂层以及提高精算精度，对活塞模型进行了结构上的简化，采用了四分之一模型建模及去除圆倒角等措施。运用ANSYS有限元仿真计算软件对建立好的活塞模型做网格划分并对关键部位做网格细化。

(2)以活塞温度场理论为依据，充分考虑了热负荷理论及传热学理论，使用前人总结的经验公式对活塞有限元温度场的边界条件进行计算，并通过ANSYS施加边界条件得到普通活塞有限元计算的温度场，以此为基础分析普通活塞的热负荷情况并对工作可靠性加以评估。

(3)将前面计算的活塞热边界条件通过ANSYS加载到热障涂层活塞有限元模型，经计算获取热障活塞的温度场，分析热负荷情况并对工作可靠性加以评估。对普通活塞的温度场分析结果与现有热障涂层活塞的温度场分析结果加以对比，可知活塞基体的最高温度从360.28℃降低到了345.55℃，降低了14.73℃。通过对热障涂层活塞的仿真研究， 可知热障涂层能够有效的降低活塞基体的温度值，并且在活塞喉口处的热负荷问题也得到了改善。

关键词：发动机；活塞；温度场仿真；热障涂层

Abstract 

With the continuous development of internal combustion engine technology, heat load has been the main factor affecting the engine power and life, especially the piston heat load problem in which plays a dominant factor. Pistons in the engine are high-speed moving parts, too high heat load will lead to piston deformation, wear and tear, and ultimately lead to the engine can not run properly.
Ceramic-based piston thermal barrier coating material with heat resistance, high melting point, played a protective piston matrix metal material role. In order to evaluate and improve the effect of thermal barrier coating on the heat load of the piston, it is of great significance to study the temperature field of the piston.
  In this paper, Yuchai a model of the engine piston to do the temperature field simulation study, the main contents are as follows:
(1) According to the model of the engine piston drawings, the use of three-dimensional modeling software CATIA to establish the piston three-dimensional model of the entity.Taking into account the late addition of thermal barrier coating to the piston and improve the actuarial accuracy of the piston model was simplified, using a quarter of the model modeling and removal of round chamfer and other measures. Using ANSYS simulation software to make a good division of the piston model.
  (2) Based on the theory of the piston temperature field, the thermal load theory and the theory of heat transfer are fully considered. The boundary conditions of the finite element temperature field of the piston are calculated by using the empirical formula summarized by the predecessors and the boundary condition is obtained by ANSYS. Piston finite element calculation of the temperature field, in order to analyze the general piston heat load and work reliability.
   (3) Load the thermal boundary condition of the piston by ANSYS into the finite element model of the thermal barrier coating, obtain the temperature field of the thermal barrier piston, analyze the heat load condition and work reliability. The results of the temperature field analysis of the conventional piston are compared with the results of the temperature field analysis of the existing thermal barrier coating. It can be seen that the maximum temperature of the piston matrix is reduced from 360.28 ℃ to 345.55 ℃ and 14.73 ℃.Through the simulation study of the thermal barrier coating piston, it can be seen that the thermal barrier coating can effectively reduce the temperature of the piston matrix, and the heat load at the piston throat has also been improved.

Keywords: engine;piston; temperature field simulation; thermal barrier coating

目录

第一章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.1.1课题背景 1

1.1.2研究意义 2

1.2热障涂层活塞相关研究现状 3

1.2.1热障涂层材料技术研究现状 3

1.2.2国内外研究动态和现状 4

1.2.3有限元温度场仿真研究发展及现状 5

第二章 活塞温度场研究相关理论基础 7

2.1热负荷理论 7

2.2传热学理论 7

2.3本文所使用的软件介绍 8

2.3.1三维实体建模软件 8

2.3.2有限元分析软件 8

第三章 普通活塞温度场仿真 10

3.1活塞相关参数介绍 10

3.2活塞温度场仿真研究 11

3.2.1活塞几何模型 11

3.2.2活塞有限元模型的建立 11

3.2.3 稳态温度场分析的边界条件 12

3.3活塞温度场仿真结果及分析 15

3.4本章小结 16

第四章 活塞热障涂层的仿真研究 17

4.1热障涂层 17

4.2热障涂层活塞有限元模型的建立 18

4.2.1几何模型建立 18

4.2.2有限元模型的建立 19

4.3有热障涂层的活塞稳态温度场仿真结果 20

4.4活塞有无热障涂层温度场对比分析 21

第五章 结论及展望 22

5.1研究工作内容及结论 22

5.2展望 22

参考文献 23

致 谢 24

第一章 绪论

在科技高速进步的今天，各种新技术新的研究成果的应用不断推动着内燃机性能的发展。同时，受制于环保标准的不断提高，能源危机等各种外部因素，现如今的内燃机行业一直在向轻量化、低排放、低油耗、高功率、高转速和高得可靠性等方向发展^[1]。

随着发动机的强化程度逐渐提高，活塞在发动机中是最主要的受热零件之一,它的运转情况直接关系到发动机的工作可靠性以及使用的耐久性，同时直接影响到发动机的排放性能，其性能的好坏直接决定着整机的性能优劣。加之目前强化内燃机的主要手段是通过提高功率和转速实现，而不断提 高平均有效压力又成为提高功率和转速的主要方法。平均有效压力提高会导致燃烧室内的温度增加，导致活塞承受的热负荷加剧，使其产生较大热应力及热变形，严重时还会导致受热零件材料强度和硬度急剧下降，极易产生拉缸故障，影响发动机寿命。平均有效压力增大必然使得缸内最大爆发压力跟随增大，从而导致缸盖、活塞以及缸体的机械载荷增加，磨损加剧。增加转速可以使内燃机的传热损失降低，但是会以摩擦损失和NOx排放的增加作为代价，不利于降低排放，已经不能适应于现如今越来越严苛的排放标准。基于上面种种原因热障涂层的研究尤为必要，能够改善活塞热负荷的同时也能够满足环保要求。

1.1课题背景及研究意义

1.1.1课题背景

零部件的热负荷是制约发动机性能提升的主要因素之一，它影响着发动机的耐久性、可靠性和经济性。活塞的热负荷一般可以从下面两个方面来理解：一方面是活塞由于温度过高产生故障而失去工作能力；另一方面活塞由于温度梯度过大而产生的热应力、热疲劳而发生破坏^[2]。

为了使发动机能够安全稳定可靠的运行，其核心部件活塞的热负荷问题就必须得到解决，但是研究清楚活塞的热负荷问题是建立在活塞传热的基础上的。想要了解活塞热负荷，就必须要准确的了解活塞整体的温度场分布，在此基础上在研究分析活塞的热负荷问题，提出解决方案和改进措施。为了降低燃烧室的热量从活塞顶部向裙部的传递，采取在活塞顶部喷涂陶瓷热障材料的技术来降低活塞本体的温度及热负荷，通过商用软件ANSYS仿真研究热障涂层活塞的热负荷及可靠性是其关键技术。