摘 要

发现问题，分析问题，直至解决问题的全过程，便是研究的过程。一方面，气候变化、环境污染等问题，使我们急需寻找石油的替代能源，而天然气是最佳选择。通过调研分析，了解国内外天然气利用及天然气发动机研究现状、活塞传热研究现状。另一方面，发动机气缸中，气体的燃烧过程极其复杂，比较而言，缸内各部件间的相互传热更加复杂，工作环境最为复杂的部位当属燃烧室，其部件的可靠性尤为重要^[1-2]。为了找出薄弱环节，提升可靠性，则要求我们进行热负荷及可靠性的分析。本文针对YC6MK375N-30型天然气发动机的活塞为研究对象，进行温度场的仿真计算，根据其温度场分布计算出在热负荷、机械负荷下各自的应力分布、应变大小。

本文的主要内容包括：

（1）运用SolidWorks软件，建立活塞体的三维模型。

（2）采取有限元分析方法，将活塞模型导入Workbench中进行网格划分。

（3）算出边界条件的值，加载到Workbench软件中进一步对活塞稳态温度场求解。施加位移约束求解其热应力。

（4）计算活塞组件的机械负荷，以及应力应变情况。

（5）以仿真的结果对发动机的热负荷及可靠性作出最终评价。

最终可以得到结果：活塞的第一环槽处、活塞顶部，温度明显较高，承受较高的热负荷。活塞销座位置承受较大的应力，承受很大的机械负荷。

关键词：天然气发动机，热负荷，机械负荷，活塞，应力与变形

Abstrct

Finding the problem, analyzing the problem ，solving the problem，the whole proc-ess can be named research. On the one hand, because of climate changing, environmental pollution and other issues, so that we need to find alternative energy sources of oil, and natural gas is the best choice. Through the investigation and analysis, we can unders-tand the domestic and international natural gas utilization and natural gas engine researc-h status, the research status of piston heat transfering. On the other hand, the combustion is a complicated process in the engine cylinder.In comparison,the heat transfer between the components in the cylinder is more complicated，and the most complicated parts of the working environment are the combustion chamber，which need more reliability of co-mponents ^[1-2]. In order to find the weak parts of the heated parts, we are asked to heat load and reliability analysis.In this paper, the YC6MK375N-30 natural gas engine piston for the study, the temperature field simulation calculation, according to the temperature field distribution to calculate the heat load, mechanical load under the stress distribution, strain size.The three-dimensional piston model was established by using SolidWorks soft-ware.

1. Using the finite element analysis method, the piston model is introduced into Workbench for meshing.
2. In Workbench, the boundary temperature condition is applied to solve the steady te-mperature field of the piston.In Workbench, the boundary temperature condition is appli-ed to solve the steady temperature field of the piston. IN order to solve the thermal str-esses，we need to apply the displacement constraint.
3. The mechanical load of the piston assembly as well as the stress and strain are simulated and calculated.

（5）The final evaluation of the heat load and reliability of the engine ，which is made with the results of the simulation.

The final result : the first ring groove of the piston, the top of the piston, there are significantly higher temperature and bear higher heat load. The piston pin seat position withstand greater stress, bear a lot of mechanical load.

Keywords: natural gas engine, heat load, mechanical load, piston, stress and deformation

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景及义 1

1.2国内外研究现状分析 1

1.2.1我国天然气利用及天然气发动机研究现状 1

1.2.2国外对天然气发动机的研究现状 2

1.2.3活塞传热研究现状 2

1.3本文的研究内容 3

1.3.1研究对象 3

1.3.2研究内容 4

1.3.3技术路线 5

1.4本章小结 6

第二章 活塞传热的分析理论 7

2.1有限元分析的理论介绍 7

2.1.1热传导数值分析的意义 7

2.1.2有限元热传导分析的可靠性 7

2.1.3有限元分析的一般步骤 7

2.2传热分析的相关理论 8

2.2.1温度场 8

2.2.2导热的基本理论 8

2.2.3导热的定解条件 10

2.2.4对流换热的基本理论 11

2.2.5活塞传热问题的有限元解法 11

2.3本章小结 12

第三章 三维模型建立与确定边界条件 13

3.1活塞模型的建立 13

3.1.1SolidWorks软件简介 13

3.1.2活塞的材料参数 13

3.1.3活塞的三维模型 14

3.2活塞模型的网格划分 15

3.2.1Workbench软件简介 15

3.2.2活塞网格划分 16

3.3活塞热负荷分析边界条件 17

3.3.1活塞顶部的边界条件 17

3.3.2活塞侧面的换热边界条件 20

3.3.3活塞内腔与内冷油道的换热边界条件 20

3.3.4活塞各部位换热边界条件 21

3.4本章小结 21

第四章 活塞温度场仿真计算 22

4.1活塞的稳态热分析 22

4.1.1活塞稳态温度场的计算 22

4.1.2活塞稳态温度场的分析 23

4.2 硬度塞测温法测定 23

4.3本章小结 25

第五章 活塞的热、机械应力仿真分析 26

5.1 活塞应力有限元分析基本理论 26

5.2活塞热应力的仿真计算 27

5.2.1活塞热应力产生机理 27

活塞热应力产生的原因如下： 27

5.2.2活塞热应力计算及分析 28

5.3活塞的机械应力的仿真计算 29

5.3.1活塞的机械负荷计算的边界条件 29

5.3.2活塞的机械负荷的计算与分析 30

5.4本章小结 32

第六章 总结与展望 33

6.1总结 33

6.2后期工作展望 33

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1课题研究的背景及义

随着时间的变迁，大气污染、温室气候、雾霾天气等灾害越发的严重，石油煤炭的大量消耗是导致这些灾害的罪魁祸首。对生活质量的高追求，使我们更加渴望有一个宜居适住的自然环境。天然气的有点在于（1）具有良好的物理特性。（2）燃烧的产生是CO2和水，这就有了其他能源不能代替的优点:不污染大气。现今的发动机，要么掺混，要么改装，才能燃用天然气。我们都知道，无论是何种发动机，都是承受着庞大的机械负荷与热负荷进行着工作过程，其中活塞负荷最为严重，导致柴油机容易产生故障失效。因而，剖析并解决存在的问题显得尤为重要。

导致天然气发动机热负荷故障的种类及原因有：1、柴油与天然气在气缸中的燃烧情况相比较，天然气燃烧时，具有燃点比柴油高、传播速度慢、燃烧时间长的特点，导致活塞部位热负荷是更加剧烈的。2、活塞运动时中，缸内的燃气暴发压力、往返惯性力、侧推力以及摩擦力等等一直不停地作用,都会使活塞承受剧烈、周期变化的机械负荷，必然导致庞大的机械应力与机械变形的产生。3、活塞往复运动过程中，摩擦力、侧推力、惯性力等的共同作用，或者润滑不良，易导致不正常的拉缸咬缸事件。4、热量传递在发动机工作过程中是极其难解决的问题。仅仅只有小份额的热量被润滑油带走，大部分热量需要通过活塞与气缸的热交换方式传递，两者温度都比较高，活塞头部庞大的热负荷与热应力成为必然，内部温度梯度相应变化快速。5、我们所利用的天然气中存在易氧化杂质，燃烧后的产物，易对活塞或者气缸造成腐蚀，降低其使用寿命。