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活塞頭在高溫高壓燃氣的作用下產(chǎn)生局部應(yīng)力過大現(xiàn)象甚至產(chǎn)生疲勞裂紋，這就需要在設(shè)計之初對柴油機的活塞頭進行強度分析。以往研究對四沖程柴油機的活塞進行分析，得到活塞的溫度場和應(yīng)力分布，并對活塞進行熱負荷與機械負荷的耦合分析，得到應(yīng)力及應(yīng)變分布。對柴油機活塞熱負荷和機械負荷進行了更進一步的研究，利用多體動力學(xué)研究了活塞的側(cè)推力，并在研究中考慮了側(cè)推力對活塞強度的影響。在此基礎(chǔ)上，以船用柴油機的活塞頭為研究對象，以熱分析為基礎(chǔ)，在ANSYS中分析活塞頭在不同負荷下的強度，得出活塞頭的危險區(qū)域，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能改進以及日常的維護和管理提供幫助。
某型號柴油機是曼公司生產(chǎn)的缸徑為二沖程6缸超長行程凸輪控制直流船用柴油機。根據(jù)設(shè)計圖，使用Pro/E對活塞頭進行建模，然后導(dǎo)入ANSYS進行分析。
柴油機的活塞頭要承受熱負荷和機械負荷的共同作用，為了滿足船用柴油機的強度和可靠性要求，結(jié)合實際情況，試驗采用耐熱合金鋼，泊松比為0.3。
計算得出的活塞頭與周圍環(huán)境的平均傳熱系數(shù)以及周圍環(huán)境的平均溫度為邊界條件，計算活塞頭溫度場分布，最高溫度433.8℃，出現(xiàn)在活塞頭頂面邊沿處，自上而下溫度逐漸減低，冷卻油腔及第一道活塞環(huán)區(qū)域均沒有超過200℃，與實測溫度基本相符。
為了計算活塞頭的可靠性，需要對活塞頭進行熱負荷、機械負荷，以及熱負荷與機械負荷藕合作用下的強度分析。以活塞頭的溫度場為邊界條件，在ANSYS中對活塞頭進行強度分析，得到活塞頭的熱變形和熱應(yīng)力，得到活塞頭的熱應(yīng)力分布，最大熱應(yīng)力696MPa，出現(xiàn)在冷卻油腔內(nèi)振蕩冷卻孔、活塞頂面、活塞側(cè)面的結(jié)合處，在局部表現(xiàn)為表面應(yīng)力大于內(nèi)部應(yīng)力，整體來看受熱較大的活塞頭頂面應(yīng)力較大。最大變形位于活塞頂面邊沿，最大變形1mm，總體上沿活塞頭徑向方向自內(nèi)而外變形越來越大，沿軸向方向自上而下變形越來越小。
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