【摘 要】
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柴油机广泛应用于商用车、卡车和工程机械领域,活塞是其核心零部件之一。活塞所处的工作环境极其严酷,很容易发生疲劳损伤问题,导致柴油机运行不正常。而在实际运转工况中,“起动-停车”这种冷热低周循环引起的活塞热疲劳损伤最为严重,研究低周疲劳寿命可以确定柴油机所允许的最大“起动-停车”次数,对于活塞的设计具有重要的意义。本文针对铝合金活塞的热疲劳性能问题,用试验测试和有限元模拟分析两种方法结合探究铝合金活
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柴油机广泛应用于商用车、卡车和工程机械领域,活塞是其核心零部件之一。活塞所处的工作环境极其严酷,很容易发生疲劳损伤问题,导致柴油机运行不正常。而在实际运转工况中,“起动-停车”这种冷热低周循环引起的活塞热疲劳损伤最为严重,研究低周疲劳寿命可以确定柴油机所允许的最大“起动-停车”次数,对于活塞的设计具有重要的意义。本文针对铝合金活塞的热疲劳性能问题,用试验测试和有限元模拟分析两种方法结合探究铝合金活塞的低周热疲劳性能和验证疲劳寿命预测方法。具体内容如下:（1）通过一套采用电磁感应加热为热源的热疲劳试验平台,精确控制铝合金活塞热疲劳试验中的温度循环,得到了不同温度循环方案下的温度历程曲线以及活塞热疲劳寿命;从活塞喉口提取材料加工制作试棒,利用试棒TMF试验台,设置不同温度循环和拘束率方案,通过试棒TMF试验得到了拘束率-疲劳寿命图谱。（2）利用UG软件和ANSYS软件建立了铝合金活塞三维有限元计算模型。接着采用磁热耦合的方法并且选用高斯正态分布面热源模型,求取得到等效热源数学表达式;将得到的等效热源表达式施加到活塞有限元模型上,进行活塞瞬态温度场计算,得到有限元模型的温度场,实测温度数据和计算结果比较,验证了计算模型正确性。（3）在求得温度场的基础上,对活塞有限元模型进行热固耦合分析,求得活塞的应力应变分布;提取活塞喉口处的热应变和总应变,根据拘束率计算公式求得活塞喉口处的拘束率,参考拘束率-疲劳寿命图谱,插值得到疲劳寿命预测值;与热疲劳试验得到寿命对比,验证了拘束率-疲劳寿命法的有效性。通过采用试验和数值两种方式对铝合金活塞的热疲劳性能进行研究,验证了疲劳寿命预测方法的有效性,为活塞的疲劳寿命预测提供参考依据。
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