活塞作为内燃机的关键零部件之一,它的工作情况直接关系到高速内燃机的工作可靠性和使用耐久性,同时直接影响到内燃机的排放性能。活塞的结构和所处的工作环境十分复杂,在工作状态下受到高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性载荷作用,产生机械应力和机械变形。高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部乃至整个活塞温度很高,且温度分布很不均匀,导致活塞产生热应力和热变形。热负荷和机械负荷耦合将导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸等。因此,在设计阶段对活塞进行温度场、应力场以及热负荷和机械负荷共同作用的耦合应力场进行有限元分析,了解活塞的热负荷状态和综合应力分布情况,进而改进活塞,提高其工作可靠性具有重要意义。 本文采用硬度塞测温法对4100型增压柴油机和增压中冷柴油机活塞表面关键点温度在不同工况下进行了测量,获得了不同工况下活塞表面关键点的温度值,分析了活塞的工作温度随内燃机转速的变化关系。通过实测的温度值,计算分析了4100型增压柴油机和增压中冷柴油机活塞在标定功率工况下的温度场、热应力场与变形,并对比分析了燃烧室形状和燃烧室位置对活塞温度场和热应力分布以及变形的影响。同时,本文还计算分析了该系列增压柴油机在标定工况下,活塞的机械应力场和变形,活塞在机械负荷和热负荷共同作用下的耦合应力场和变形,对比分析了燃烧室形状和燃烧室位置对活塞耦合应力场和变形的影响。最后本文对该系列柴油机活塞进行了强度预测评价,提出了相应的强化措施。 通过以上有限元分析与温度场试验研究,获得了该系列柴油机活塞温度场,应力场与变形结果,为该系列增压柴油机活塞的开发设计和改进提供了一定的理论依据,同时也为该厂生产的其他系列产品的有限元分析计算提供了参考。