活塞热冲击与随机传热过程的研究
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摘要
本文以内燃机主要受热零件一活塞的热冲击作为研究对象，在所研制的活塞热疲劳摸拟试验台上，进行了活塞热冲击的试验。同时建立活塞热冲击的集总参数、1维平壁和2维模型，应用Mathematic软件和ANSYS软件，对所建立的活塞热冲击模型进行了解析和数值分析，利用模拟计算与试验结果相结合的方法，获得接近于内燃机活塞热冲击的温度场与热应力场分布，从而更加全面深入地了解在热冲击条件下活塞的温度场和应力场变化规律。最后，将随机理论应用于活塞随机热冲击的研究，获得在随机热冲击条件下活塞温度场和应力场的特殊规律。上述试验和理论研究结果将为活塞热损伤的研究打下良好的基础，同时也为探索活塞热疲劳寿命预测提供了理论和试验手段。
本文主要内容及创新之处如下：
(1)．对活塞在受热冲击条件下的热状态进行了较为全面的研究。首次建立了活塞在受到矩形波、三角形波、瞬态冲击等热激励时的温度变化的集总参数模型，进而获得了在上述热冲击下活塞温度的解析解及稳态解。
(2)．提出了活塞热冲击的1维平壁模型和2维有限元活塞温度计算模型，获得了矩形波热激励时的温度变化和热应力的解析解及数值解，得到了活塞在矩形波温度作用下的温度分布和应力分布。
(3)．本文首次给出了当系统为集总参数模型、1维模型，激励为随机矩形波时的解析解。在此基础上，获得活塞温度变化的均值、均方值计算公式。活塞的集总参数模型给出了活塞随机温度随时间变化的基本的规律，为定性分析活塞随机变化规律提供了工具。活塞的一维模型给出了在随机激励下，活塞温度随深度变化的基本规律。本文提出的迭代法求解随机温度解析解，适应性广，计算工作量小，对研究不同的周期性随机激励下的活塞温度场及其它领域的随机温度也适用，开创了利用数值法研究随机温度场的新思路。其原理完全适用于计算3维有限元活塞随机温度或采用其它数值方法(差分法、离散化法、边界元法、……)计算随机温度场。
(4)．自行研制了国内首台热冲击试验台，营造了活塞热状态摸拟环境。试
摘 要
验台在高度自动化、活塞热状态摸拟和控制策略等方面均有所创新。在该试验台
上获得了6150柴油发动机活塞热冲击的试验数据，为活塞热冲击和热疲劳研究
提供了有力的手段。
u人 上述模型应用于6150柴油发动机活塞，计算结果与热冲击试验台的
测试结果进行了对比表明：在活塞热冲击试验的条件下，矩形波平壁模型能够较
好地描述实际的试验状况。随机模型比经典导热模型更符合活塞温度的实际变化
规律。本文介绍的三个模型中，2维有限元模型的温度变化规律最与实际吻合；
l维模型能基本反映活塞的温度变化；用集总参数模型计算活塞温度，必须对随
机激励作较大修正，模型参数作较大假定才能得到与实际相近的结果。由于本文－
在活塞随机温度方面的工作是开创性的，上述模型为人们研究随机温度变化规律
提供了较全面的理论基础。
本文得到国家自然科学基金（59876034）“内燃机活塞在随机热冲击下非线
性导热的理论与实验研究”资助。
In this paper the thermal shock on piston, which is one of the heated parts of internal combustion engine is selected as investigated subject. The thermal shock test has been carried out in the thermal fatigue simulation test stand developed. Meanwhile the 0 dimension 1 dimension plane wall 2 dimension models are established. Using the mathematic and ANSYS software the numerical and soluble analyses can be got for the thermal shock model of the piston. Compare the simulation results to the test results the temperature field and stress field can be got which are quite close the thermal shock situation. In this paper the random theory has been applied to the study on the piston random thermal shock and also the special law of the temperature field and stress field has been got under the thermal shock condition. The above research results of theory and test make a contribution to the study on the thermal damage of the piston.
The main content and creating point in this paper :
1. The thermal state of the piston has been studied under the thermal shock in the first time. The lumped parameter system of the temperature has been established under the triangle rectangle and instantaneous impact. And the simulation results also have been got.
2. The solution of the temperature variation is got during the rectangle impact.
3. The random theory is applied to the thermal shock model in the first time . The lumped parameter system and the plane wall random model have been established and the simulated results are also have been got.
4. The first thermal shock stand in china has been developed. It has creation on simulation thermal state of the piston and control methods.
5. The above thermal shock model and thermal shock stand has been applied to the simulated calculation and test of the piston of mode 6150 diesel engine successfully.
This paper is sponsored by National Natural Science Fund(59876034)
本文主要内容及创新之处如下：
(1)．对活塞在受热冲击条件下的热状态进行了较为全面的研究。首次建立了活塞在受到矩形波、三角形波、瞬态冲击等热激励时的温度变化的集总参数模型，进而获得了在上述热冲击下活塞温度的解析解及稳态解。
(2)．提出了活塞热冲击的1维平壁模型和2维有限元活塞温度计算模型，获得了矩形波热激励时的温度变化和热应力的解析解及数值解，得到了活塞在矩形波温度作用下的温度分布和应力分布。
(3)．本文首次给出了当系统为集总参数模型、1维模型，激励为随机矩形波时的解析解。在此基础上，获得活塞温度变化的均值、均方值计算公式。活塞的集总参数模型给出了活塞随机温度随时间变化的基本的规律，为定性分析活塞随机变化规律提供了工具。活塞的一维模型给出了在随机激励下，活塞温度随深度变化的基本规律。本文提出的迭代法求解随机温度解析解，适应性广，计算工作量小，对研究不同的周期性随机激励下的活塞温度场及其它领域的随机温度也适用，开创了利用数值法研究随机温度场的新思路。其原理完全适用于计算3维有限元活塞随机温度或采用其它数值方法(差分法、离散化法、边界元法、……)计算随机温度场。
(4)．自行研制了国内首台热冲击试验台，营造了活塞热状态摸拟环境。试
摘 要
验台在高度自动化、活塞热状态摸拟和控制策略等方面均有所创新。在该试验台
上获得了6150柴油发动机活塞热冲击的试验数据，为活塞热冲击和热疲劳研究
提供了有力的手段。
u人 上述模型应用于6150柴油发动机活塞，计算结果与热冲击试验台的
测试结果进行了对比表明：在活塞热冲击试验的条件下，矩形波平壁模型能够较
好地描述实际的试验状况。随机模型比经典导热模型更符合活塞温度的实际变化
规律。本文介绍的三个模型中，2维有限元模型的温度变化规律最与实际吻合；
l维模型能基本反映活塞的温度变化；用集总参数模型计算活塞温度，必须对随
机激励作较大修正，模型参数作较大假定才能得到与实际相近的结果。由于本文－
在活塞随机温度方面的工作是开创性的，上述模型为人们研究随机温度变化规律
提供了较全面的理论基础。
本文得到国家自然科学基金（59876034）“内燃机活塞在随机热冲击下非线
性导热的理论与实验研究”资助。
In this paper the thermal shock on piston, which is one of the heated parts of internal combustion engine is selected as investigated subject. The thermal shock test has been carried out in the thermal fatigue simulation test stand developed. Meanwhile the 0 dimension 1 dimension plane wall 2 dimension models are established. Using the mathematic and ANSYS software the numerical and soluble analyses can be got for the thermal shock model of the piston. Compare the simulation results to the test results the temperature field and stress field can be got which are quite close the thermal shock situation. In this paper the random theory has been applied to the study on the piston random thermal shock and also the special law of the temperature field and stress field has been got under the thermal shock condition. The above research results of theory and test make a contribution to the study on the thermal damage of the piston.
The main content and creating point in this paper :
1. The thermal state of the piston has been studied under the thermal shock in the first time. The lumped parameter system of the temperature has been established under the triangle rectangle and instantaneous impact. And the simulation results also have been got.
2. The solution of the temperature variation is got during the rectangle impact.
3. The random theory is applied to the thermal shock model in the first time . The lumped parameter system and the plane wall random model have been established and the simulated results are also have been got.
4. The first thermal shock stand in china has been developed. It has creation on simulation thermal state of the piston and control methods.
5. The above thermal shock model and thermal shock stand has been applied to the simulated calculation and test of the piston of mode 6150 diesel engine successfully.
This paper is sponsored by National Natural Science Fund(59876034)
引文
[1] S.S.Manson, Behavior of Material under Conditions of Thermal Stress, proceedings of Heat Transfer Symposium,University of Michigan, 1953: 9～76
[2] S.S.Manson, Thermal Stresses and Low cycle Fatigue, 1966, 275, McGraw-Hill
[3] L.F. Coffin, Jr., A Study of Effects of Cyclic Thermal Stresses on a Ductile Metal,Trans. ASME,76,1954: 931～950
[4] Y.S.Garud, Multiaxial Fatigue: A Survey of the Art, Jour. of Testing and Evaluation, Vol.9(3), May, 1981
[5] F. Ellyin, Recent Development in Predicting Multiaxial Fatigue Failure, Res Mechanica, 25(1988): 1～23
[6] 何晋瑞等，时间相关疲劳寿命预测应变能新模型，机械工程学报，1988，24(1)：30～36
[7] 王宽福，压力容器的热应力热疲劳热冲击综述(待续)，石油工程建设，1995，21(1)：1～7
[8] 王宽福，压力容器的热应力热疲劳热冲击综述(续1)，石油工程建设，1995，21(2)：6～9
[9] 冯钧一，边孟欣等，二维热应力疲劳及裂纹形态，北京科技大学学报，1991，13(3)：286～290
[10] 潘俊兴，低温容器热冲击应力浅析，低温工程，1997，97(3)：42～47
[11] 樊学军等，圆筒形容器轴向表面裂纹热冲击问题的开裂分析，计算结构力学及其应用，1990，7(2)：1～7
[12] 严兆大，“内燃机的热负荷”，浙江大学内燃机教研室，1984
[13] 严兆大，郑飞，等，“风冷柴油机的传热与热负荷”，浙江大学出版社，1983．
[14] Yan Z.D.,et.al.,"Calculation and Prediction of Thermal Loading of the Air Cooled Diesel Engine",SAE 881254.
[15] 肖永宁，“内燃机热负荷和热强度”，机械工业出版社，1988．
[16] 陈特銮，“内燃机热强度”，国防工业出版社，1991．
[17] 内燃机杂志编辑部，“内燃机结构强度研究”，机械工业出版社，1977．
[18] 叶恒，“高速风冷柴油机活塞热负荷研究及裙部型线探讨”，浙江大学硕士学位论文，1989．
[19] S.J.Pachernegg,"Heat Flow in Engin Pistons",SAE670928．
[20] 古浜庄一，俞小莉译，“内燃机的热负荷问题”，浙江大学，1985．
[21] 潘克煜，张虹，柴油机活塞热负荷研究，车用发动机，1994(4)：22～25
[22] 蔡军，柴油机过渡工况下气缸盖非稳定热负荷的试验研究与分析，内燃机学报，1987，5：66～75
[23] 任书坤，汽车发动机活塞用铝合金，汽车技术，1994(4)：32～37，51
[24] 奥村清一，市川隆浴等，当前典型活塞损坏原因及其防止措施，国外内燃机，1992(3)：24～32
[25] 铃木吉洋，内燃机活塞的评价技术，车用发动机，1994(1)：1～6
[26] 中华人民共和国机械工业部部颁标准，汽车发动机可靠性试验方法，1984．8．31
[27] 顾泽同，胡刚，巢瑞安等，柴油机受热零件的低周疲劳寿命预测，内燃机学报，1993，11(4)：298～305
[28] 姜任秋，杨光升等，活塞热冲击问题理论分析，内燃机学报，1993，11(1)：83～87
[29] 姜任秋，沈孟良等，柴油机活塞热冲击问题有限元分析，内燃机学报，1996，14(2)：127～133
[30] 王熙，在热冲击作用下圆柱体的动应力集中效应的解析解，振动与冲击，1996，15(3)：28～33
[31] 王熙，王灿等，空腔球体热冲击问题的一种求解方法，南京理工大学学报，1995，19(6)：565～568
[32] 张光辉，翟鹏程等，非均质材料在热冲击下的耦合热弹性理论，武汉工业大学学报，
[33] 杨继明，热冲击对200MW汽轮机高压转子温度场的影响，湖南电力技术，1992，12(5)：32～37，49
[34] 姜任秋，刘顺隆，冲击加热半无限体热应力问题理论分析，工程热物理学报，1993，14(4)：429～433
[35] 闫贵卿，焦善庆，热冲击下温度与应变耦合场的精确解，烟台大学学报：自然科学与工程版，1992 (1-2)：8～11，24
[36] 杨涤心，李先勇等，铝硅合金热疲劳过程的应力应变分析 理化检验：物理分册，1994，30(4)，15～17
[37] 张文孝，郭成璧等，复杂应力状态下高温高强度铝合金LD8热疲劳特性的研究机械强度，1996，18(3)：68～71
[38] 张卫正，加速热疲劳试验条件下内燃机受热件寿命的修正计算，内燃机学报，1998，16(2)：184～190
[39] 郭成璧，张文孝等，柴油机活塞的热疲劳寿命预测，大连理工大学学报，1996，36(5)：595～599
[40] 郭成璧，张文孝等，三维应力状态柴油机活塞的低周热疲劳安全性评价，大连理工大学学报，1996，36(5)：600～604
[41] 张文孝，郭成璧，柴油机活塞的低周热疲劳寿命预测与安全性评价，中国造船，1997，139(4)：80～87
[42] 王永廉，高温低周疲劳寿命预测模型，南京航空航天大学学报，1994，26(3)：311～318
[43] 张文孝，郭成璧等，热疲劳过程力学行为的数值模拟 大连理工大学学报，1995，35(4)：511～514
[44] 谭建松，高强化柴油机活塞的热负荷及结构改进，浙江大学硕士论文，2000年1月
[45] [日]平修二主编，郭廷伟，李安定译，热应力与热疲劳，国防工业出版社，1984
[46] 元成浩、赵元姬，“CA488型发动机活塞温度场及热应力的有限元计算分析”，汽车技术，1996(6)，P12．
[47] 李四元，万勇，董敬，“493柴油机活塞有限元分析”，武汉汽车工业大学学报，1996(6)，P6
[48] 李四元等，“柴油机活塞有限元分析”，武汉汽车工业大学，1996(6)．
[49]杨锐芳，李树祺等，金属热疲劳损伤的一种新判据钢铁研究学报，1995，7(3)：67～71
[50]王永廉，对高温低周疲劳寿命预测模型的评价，强度与环境，1995 (3)：11～17
[51]方华灿，段梦兰 热循环疲劳损伤及其简化计算方法，石油大学学报：1993，17(4)：48～53
[52]安鸿志，陈敏，非线性时间序列分析，上海科学技术出版社
[53]熊大国编著，随机过程理论与应用，国防工业出版社，北京，1991
[54]徐昭鑫，随机振动，高等教育出版社，北京，1990
[55]J.D.Robson,an Introduction to Random Vibration,Edinburgh University Press, 1963
[56]J.B Roberts, Techniques for Nonlinear Random Vibration Problem, The shock and Vibration Digest, 13(1981),4,17～28
[57]C.W.S. To,Random Vibration of Nonlinear Systems, The Shock and Vibration Digist, 20(1988),6,16～25
[58]胡亚才，屠传经等，平壁随机热传导的理论分析，21世纪热科学研究讨论会，高等教育出版社，(北京)1997．4
[59]吴庆记，杨威，关于提高铝合金压铸型寿命的研究，兰州铁道学院学报，1990，9(2)：65～75
[60]刘北兴，刘思久等，自制自约束型冷—热疲劳试验机，机械工程师，1995(5)：33～34
[61]胡亚才，穆弗达赫等，非稳态导热混合微分差分法求解研究，应用力学学报，1998，15(1)：100～104
[62]徐芝纶，弹性力学，人民教育出版社
[63]王洪纲，热弹性力学概论，清华大学出版社
[64]顾泽同等，工程热应力，国防工业出版社
[65]荀飞，Mathematica4实例教程，中国电力出版社
[66]Y. Takeuti, T. Furukawa, Some Considerations on Thermal Shock Problems in a Plate, J.Appl.Mech., vol.48:113-118, 1981
[67]陈大荣，船舶柴油机设计，国防工业出版社，1985．12
[68][美]施天谟，计算传热学，科学出版社，1987．12
[69]俞小莉，金瑞斌等，内燃机活塞热疲劳模拟试验台，内燃机工程，1997，18(4)：43～47
[70]李永祥，活塞热冲击实验台控制与检测系统的研制，浙江大学硕士论文，1999年1月
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[38] 张卫正，加速热疲劳试验条件下内燃机受热件寿命的修正计算，内燃机学报，1998，16(2)：184～190
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[49]杨锐芳，李树祺等，金属热疲劳损伤的一种新判据钢铁研究学报，1995，7(3)：67～71
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[66]Y. Takeuti, T. Furukawa, Some Considerations on Thermal Shock Problems in a Plate, J.Appl.Mech., vol.48:113-118, 1981
[67]陈大荣，船舶柴油机设计，国防工业出版社，1985．12
[68][美]施天谟，计算传热学，科学出版社，1987．12
[69]俞小莉，金瑞斌等，内燃机活塞热疲劳模拟试验台，内燃机工程，1997，18(4)：43～47
[70]李永祥，活塞热冲击实验台控制与检测系统的研制，浙江大学硕士论文，1999年1月