【摘 要】
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活塞是内燃机中实现功能转换的重要部件,活塞的性能直接决定内燃机的性能。目前的内燃机新技术追求低排放和高功率,活塞要承受高温环境的热载荷以及高压的机械载荷,这对活塞的强度和耐热性能提出了挑战。在活塞顶部喷涂热障涂层,已成为降低活塞基体温度和散热量的有效方案。本文从铸铝合金活塞模型出发,对不同基体材料和带热障涂层模型进行仿真对比分析。针对现有热障涂层模型进行优化设计研究,并对涂层优化后模型进行评价,最
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活塞是内燃机中实现功能转换的重要部件,活塞的性能直接决定内燃机的性能。目前的内燃机新技术追求低排放和高功率,活塞要承受高温环境的热载荷以及高压的机械载荷,这对活塞的强度和耐热性能提出了挑战。在活塞顶部喷涂热障涂层,已成为降低活塞基体温度和散热量的有效方案。本文从铸铝合金活塞模型出发,对不同基体材料和带热障涂层模型进行仿真对比分析。针对现有热障涂层模型进行优化设计研究,并对涂层优化后模型进行评价,最终为热障涂层方案的选择提供参考。首先,基于功能梯度层概念,结合考虑热障涂层设计方案和孔隙问题,得到活塞和热障涂层的等效物性参数。运用相应的经验公式,结合活塞结构特点,得到活塞的热边界条件以及机械载荷情况。其次,在ANSYS Workbench中进行热分析。对活塞基体为铝合金和钛合金的模型热分析,发现钛合金模型顶部温度提高了304K,顶部传热量降低了47.1%,最大热应力提高了36.75Mpa。对带涂层方案的热分析基体的温度下降了50K,顶部传热量降低了51.2%,基体的最大热应力降低了31.60 Mpa。钛合金基体方案降低了活塞散热量,但对排气道、缸套等材料强度和耐热性能提出新挑战;热障涂层方案隔热效果明显,应力情况符合材料属性,方案可行性高。最后,基于现有热障涂层模型,通过改变分布数指、过渡层厚度和热障涂层厚度三种优化方案进行对比分析,为热障涂层的最佳方案提供了参考。通过分别对分布指数为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0进行仿真分析计算,结合实验研究结果,得出分布指数取0.4隔热效果及应力情况最好;研究改变过渡层厚度方案,方案二模型隔热效果好并对涂层脱落起到了减缓作用;通过对1.5mm、2.0mm和2.5mm三种热障涂层厚度对比分析,随着涂层厚度的增加,隔热量和稳定性都有提高。优化的最终方案为:2.0mm厚度的热障涂层、分布指数取0.4、过渡层厚度选取方案二。新方案对比分析原热障涂层方案,活塞顶部散热量降幅为2.96%,粘结层界面的拉应力从37.88 Mpa降低到31.90 Mpa,降幅为18.7%。优化后方案相较于现有方案的温度场、应力场情况有很大改善,减少了活塞顶部散热量,明显地提高热障涂层的稳定性。
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