柴油机缸套液压冲击试验的数值仿真及疲劳寿命分析

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近些年来,随着柴油机在热效率上的不断提高,内燃机正向更高的压强和更大的压缩比发生着变革。燃烧室组件,包括缸套和活塞等发动机零部件,所需承受的热载荷与机械载荷也变得愈发严苛,激烈的载荷对于缸套等零部件的强度提出了更高要求。对于带有新型涂层的缸套,国内外的研究都集中在涂层对于提高其表面硬度以降低摩擦系数、或改善发动机排放状况等方面,而在缸套的压力冲击疲劳性能分析方面,还缺乏针对性的系统方案。本文参照某型爆发压力为22MPa柴油机的缸内压力曲线,对一种基材为40Cr中碳钢,以2mm厚度Zr O2陶瓷涂层作为强化隔热结构的缸套,构建了包括测试规程与实验设备在内的,模拟燃烧室压力冲击的疲劳试验方案,并基于有限元仿真,分析了缸套的应力应变,进而开展了疲劳寿命预测工作。(1)参考近年来国内外科研人员在发动机零部件疲劳强度测试方面所作的研究工作,制定了基于液压力冲击疲劳试验的测试流程和实验设备操作方法等规范。针对疲劳测试所需的压力加载曲线,从控制逻辑出发,构建了模拟燃气冲击波动曲线进行加载的液压系统。针对装夹缸套的腔体与液压油路的适配改造,设计了以O形圈搭配格来密封圈的强力密封方案,在结构方面制订了耐高压腔体的装配方案,以及缸套相关组件的二次加工要求;在密封方面按压力容器设计标准,求解得到了耐压外壳所需最小壁厚;选定了紧固缸盖及下机体所用螺栓螺杆的规格参数;针对下机体与缸盖间、活塞和缸套间两处关键位置,建立了详细的密封方案。最终构建了以动力区、控制区、耐高压机体区,三个模块为主体的液压冲击疲劳试验系统。(2)建立耐高压装配体的有限元模型,利用ANSYS工程软件对压力冲击载荷中的缸套,进行了应力应变计算、疲劳寿命预测等多个方面的分析,求解出试验时缸套内壁最大应力值约198.8MPa,通过应力应变云图,得知了易发生疲劳失效的主要危险区域及其失效顺序;并基于古德曼修正法,根据名义应力SN曲线建立了陶瓷涂层缸套的压力冲击疲劳模型,估算出缸套基体为无限寿命,而陶瓷涂层的寿命为102万次压力冲击循环。(3)最后对缸套展开了以2万次为步长的液压冲击疲劳试验,得知内壁最大应力处实际寿命约为80万次冲击,针对其与数值计算结果的偏差,探讨了影响压力冲击寿命预测准确性的诸多因素,分析了预测过程中的计算缺陷。从试验到仿真,再到分析比较与回顾,开展了较有意义的疲劳寿命分析及测试工作。
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