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基于窜气量的活塞环动力学分析和结构优化

作　者: 卢鹏
导　师: 张翼
学　校: 中北大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 活塞环窜气量动力学分析结构优化
分类号: TK403
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

目前发动机曲轴箱窜气量的大小是影响发动机动力性、经济性和排放特性的最重要的指标之一，长期以来，科研人员采取多种措施对窜气量严格加以限制，以达到日益严格的性能要求与排放标准。然而影响发动机窜气的因素复杂，传统方法对窜气量进行试验检测，并研究活塞和活塞环的结构参数和运动对窜气量的影响受到试验精度，试验时间及成本等因素的诸多限制，无法适应现代对活塞和活塞环结构优化设计的要求。本文研究了窜气量对发动机性能的影响以及多种窜气途径，利用AVL Glide活塞组摩擦副专用分析软件，充分考虑到缸内工作条件，活塞刚度，活塞热态下的变形以及缸套热力耦合下的径向变形等条件对活塞、活塞环动力学的影响，在此基础上对循环窜气量和摩擦损失进行评估，为活塞环结构的优化设计提供了一个有效的方法，设计正交方案对活塞环的结构进行优化设计，本文进行了如下的研究工作：（1）活塞环动力学及窜气理论分析。建立活塞环的动力学模型和理想气体绝热流动模型，研究了活塞环在工作过程中的受力状态及动力学行为，在此基础上分析了活塞环的多种窜气途径。（2）计算活塞和缸套径向变形所需边界条件的研究。建立AVL Boost整机模型，得到缸内工作压力和温度等边界条件；根据缸内工作的边界条件，对活塞和缸套的热负荷、机械负荷理论进行相关分析。（3） Glide活塞组摩擦副模型的建立。计算活塞的刚度矩阵，研究活塞和缸套的热负荷和机械负荷边界条件，运用ANSYS分析了对活塞的径向热变形和缸套热-机耦合状态下的径向变形，在此基础上建立了活塞组摩擦副模型，并计算了原模型下的窜气量以及活塞环的动力学行为和摩擦学状态。（4）考察窜气量和摩擦损失的影响因素。以某成熟的柴油机机型为例，建立AVLGlide活塞组摩擦副模型，计算分析活塞环的开口间隙，径向弹力，环与活塞环槽的径向、轴向间隙等重要结构参数对窜气量和摩擦损失的影响规律，并根据一环和二环的动力学数据，研究了对窜气量的控制方法。（5）综合考虑上述因素，对新的活塞环结构进行设计。运用正交实验表，设计正交试验方案，通过对各方案的窜气量和摩擦损失进行计算和评估，得出活塞环最优的结构设计方案。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-17
  1.1 本文的研究背景及意义  11-12
  1.2 国内外研究现状和发展动态  12-15
    1.2.1 活塞环与缸套摩擦润滑的国内外发展现状  12-13
    1.2.2 活塞环国内外动力学研究及漏气量分析研究现状  13-15
  1.3 本文研究的主要研究的目标及内容  15-17
2 活塞环窜气及动力学理论  17-37
  2.1 活塞环的窜气理论分析  17-20
    2.1.1 活塞环密封机理  17-18
    2.1.2 活塞环漏气通路与途径分析  18-20
  2.2 活塞环窜气模型的基本假设  20-23
  2.3 环的形状与漏气  23-25
    2.3.1 开口形式  23-24
    2.3.2 断面形状  24
    2.3.3 结构尺寸  24-25
  2.4 活塞环的受力及运动状态  25-30
    2.4.1 轴向力和轴向运动  26-29
    2.4.2 径向力和径向运动  29-30
  2.5 不规则运动  30-34
    2.5.1 回转运动  31-33
    2.5.2 扭曲运动  33-34
  2.6 活塞环的振动  34-36
    2.6.1 径向振动  34-36
    2.6.2 轴向振动  36
  2.7 本章小结  36-37
3 活塞环仿真分析理论基础  37-43
  3.1 活塞环结构优化流程  37-38
  3.2 活塞动力学仿真模型  38-39
    3.2.1 模型假设  38
    3.2.2 建立模型所需数据  38
    3.2.3 AVL Glide 计算模型  38-39
  3.3 活塞与缸套温度场理论  39-40
    3.3.1 稳态温度场  39
    3.3.2 温度场的边界条件  39-40
  3.4 活塞径向刚度矩阵  40-41
  3.5 活塞缸套轮廓定义  41-42
  3.6 本章小结  42-43
4 活塞环动力学分析及结构优化  43-70
  4.1 活塞的有限元模型  43
  4.2 活塞径向刚度矩阵的计算  43-45
    4.2.1 活塞表面取点  43-44
    4.2.2 活塞径向位移的计算  44-45
  4.3 活塞的温度场及热径向变形的计算  45-55
    4.3.1 缸内热边界条件  45-47
    4.3.2 活塞温度场的计算  47-54
    4.3.3 活塞热径向变形的计算  54-55
    4.3.4 活塞轮廓定义网格和计算网格  55
  4.4 缸套温度场及径向热-结构耦合变形研究  55-63
    4.4.1 柴油机缸套组合模型材料物性参数  55-56
    4.4.2 气缸套稳态温度场计算  56-58
    4.4.3 缸套温度场计算结果  58-59
    4.4.4 缸套组合体有限元模型  59-60
    4.4.5 缸套热-结构耦合径向变形  60-62
    4.4.6 缸套的耦合变形轮廓和计算网格  62-63
  4.5 计算结果及分析  63-69
  4.6 本章小结  69-70
5 活塞环组结构参数的影响分析  70-87
  5.1 开口间隙的影响  70-72
  5.2 环与环槽间隙的影响  72-76
    5.2.1 环 1 上侧间隙的影响  72-74
    5.2.2 环 1 背隙的影响  74-76
  5.3 径向压力的影响  76-78
  5.4 配缸间隙的影响  78-80
  5.5 环开口方式的影响  80-81
  5.6 环运动表面的影响  81-84
  5.7 多环系统对窜气量的控制措施  84-86
  5.8 本章小结  86-87
6 活塞环结构正交优化设计  87-93
  6.1 正交方案设计  87-88
    6.1.1 正交试验理论  87
    6.1.2 正交试验方案  87-88
  6.2 AVL GLIDE 模型的建立  88-89
  6.3 各方案窜气量和平均摩擦力的计算  89-92
  6.4 本章小结  92-93
7 总结与展望  93-96
  7.1 本文工作总结  93-94
  7.2 工作展望  94-96
参考文献  96-101
攻读硕士学位期间发表的论文  101-102
致谢  102-103

基于窜气量的活塞环动力学分析和结构优化

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