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1、第1章 绪论1.1 概述柴油机发展至今己有一百多年的历史，经过不断改进和提高，现在已经发展到相当完善的程度。由于它的热效率高、适应性好和功率范围广，已经广泛地应用于工业、农业、交通、运输业和国防建设事业中，对推动人类文明的发展起到了极其重要的作用。自二十世纪四十年代起，船舶动力装置上就广泛使用了柴油机。当前，在船舶动力中，柴油机仍占有主要地位。所有内河及沿海中小型船舶都采用柴油机作为推进动力。在新建的远洋船舶中，有超过90的船舶使用柴油机作为动力。其中三万吨以下的船舶，绝大多数用柴油机作为主机，就是大型船舶，由于近年来大型低速二冲程多机组动力装置的使用以及四冲程中速大功率的柴油机的发展、两级增
2、压在大型低速二冲程柴油机及大功率中速柴油机上的应用成功，使柴油机在大型船舶、大型油轮、高速集装箱上及大型舰艇上开始应用，似有和汽轮机、燃气轮机以及核动力装置竞争的可能 1。1.2 船用柴油机的现状和发展趋势1.2.1 国外柴油机的发展概况近年来，船用柴油机朝着提高功率、降低油耗、提高可靠性、降低磨损、延长寿命、减少噪音及振动、降低重量和尺寸、易于维修保养、实行自动监控等方面发展。自1973年世界石油价格飞涨以后，降低油耗已成为目前各柴油机厂相互竞争的焦点。(1) 在提高功率方面由于增压技术的进步和工作过程的改善，单缸和单机功率不断提高。最大功率已由二十多年前的1100KW提高至3680KW。目
3、前，最大单机功率已达36899KW。功率的提高主要是不断提高平均有效压力Pe来实现的，四冲程柴油机的Pe已达2.6 MPa,二冲程柴油机的Pe可达1.575 MPa。（1） 在提高经济性方面自石油危机以后，燃油价格暴涨，燃料费用大增。燃油费用占总营运费用的百分比已从2040上升到4060，因而，降低燃油消耗，燃用劣质燃料，寻找代用燃料已成为国外各柴油机制造公司竞争的主要手段。各公司为此进行了大量试验研究工作，并获得了很大进展。称霸世界低速柴油机市场的MANBW和SULZER公司，从1977年至1982年间，使低速二冲程柴油机的油耗率下降了27g/KWh，最低油耗率达到160 g/KWh的水平。
4、船用中速柴油机的油耗率也已经大幅度降低。法国的PC2-6EF和PC4-2EF机型的油耗率已达170 g/KWh。他们的有效热效率e=0.50.53，达到了相当高的水平。几种典型柴油机燃油消耗率的变化趋势如图1-1和图1-2所示。 图1-1二冲程低速燃油耗率逐年下降的趋势 图1-2四冲程中速机燃油耗率逐年下降的趋势此外，近年来，劣质燃料重油（又称渣油）已被船舶辅机或辅机作为主要燃料加以采用。低速二冲程柴油机燃用重油的粘度已达35006000秒（雷氏一号（100）。四冲程中速柴油机可燃雷氏一号粘度为15003500秒的重油。高速柴油机可燃用雷氏一号粘度为200250秒的重油.造船厂希望主机和辅机采
5、用同一种燃油。（2） 提高可靠性，延长寿命，发展监控系统随着平均有效压力Pe的提高，最高爆发压力已高达15 MPa。零部件机械负荷及热负荷增加，为了提高可靠性和使用寿命，降低热应力和机械应力，在加强高温表面的冷却，改进材料、改进结构提高刚度等方面进行了大量工作，并取得了进展。大力发展电子监控系统。对柴油机性能参数和工况变化的趋向进行瞬时分析，以便选择最佳运转参数并及时发现和排除故障或不可靠因素，了解零部件运行情况，通过测量和故障预兆的分析，确定更换零部件的期限。此外，目前国内外普遍采用电子计算机进行辅助设计和结构强度试验研究工作。无疑这对柴油机结构方案的优化以及按寿命要求进行最经济的设计都是有
6、效的手段。现代柴油机的大修期（寿命）大大提高，高速大功率柴油机为50006000h（小时），中速大功率柴油机一般为30000h，个别的机型如TM410中速机可以和低速机相比，寿命为72000100000h，相当于1020年。在过去的二十多年中，各类柴油机都获得了很大的发展，单功率获得了成倍的增长。在这方面，废气涡轮增压起了决定性的作用。目前还在为进一步提高平均有效压力而进行大量的研究工作。1.3 课题的背景和意义柴油机是一种将燃油的化学能转变成为机械功的动力机械。这种能量转换是燃油在气缸中与空气充分混合进行燃烧，产生高温高压的工作气体，推动活塞、连杆、曲轴，从而使燃油的化学能转变成机械功向外输
7、出的 2。内燃机在经历了一百多年的发展，虽然基本构造变化不大，但其性能和设计水平一直在不断提高，其燃油经济性、升功率、紧凑性、制造成本、可靠性和使用寿命等主要技术指标不断得到改善。伴随着科技的飞速发展，各种新技术、新的研究成果(如:废气涡轮增压技术，电子控制燃油喷射技术，三元催化，分层充气，二次空气喷射，带有冷却装置的EGR排气再循环技术等)应用到内燃机的设计过程中，加之全球环境保护的需求和石油资源的危机，促使当今的内燃机向着高转速、高功率和低油耗、低排放等方向发展。然而内燃机转速和功率的提高，必然会带来缸内燃气的爆发压力和温度的提高。燃气爆发压力的增加，一方面使得活塞、缸体和缸盖承受的机械负
8、荷增大，导致活塞、缸体和缸盖因强度不足而产生破坏。另一方面压力升高率过大，还会产生敲缸现象和增加内燃机的燃烧噪声。燃气温度的升高，导致组成内燃机燃烧室的受热零件热负荷的增加，产生极大的热应力和热变形;温度过高还会导致受热零件材料的强度和硬度急剧下降，降低其可靠性和使用寿命，更有甚者，还会直接导致受热零件烧蚀或熔化 3。活塞作为柴油机最主要的受热零部件之一,由于受热面积大,散热条件差,因而其承受很高的热负荷。活塞的工作环境十分严酷，一方面，要承受高压燃气爆发压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性的机械负荷作用，造成活塞不均匀的机械应力和变形，严重时还会使活塞销座从内侧开始纵向开
9、裂，第一环岸断裂等;另一方面，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用，使活塞顶部乃至整个活塞的温度都很高，而且分布很不均匀，各部位温度梯度大，造成活塞很大的热应力和热变形，严重时还会导致活塞顶面开裂，活塞与缸套间的正常间隙遭到破坏，甚至活塞拉缸、抱死等。因此，在设计阶段对活塞进行应力场、温度场和传热分析，了解活塞的热负荷状态和综合应力分布情况，降低热负荷，改善热应力分布，提高其工作可靠性和改善排放具有重要意义。进而对活塞进行改进，它可为研究活塞热应力和热变形的活塞优化设计提供依据。第二章 软件介绍2.1 建模软件本课题用UG4.0进行活塞的建模，UG 是由美国著名航空公司麦道开发的CAD/CAM/CA
10、E/PDM应用系统, 它覆盖产品的整个开发过程, 包括概念设计、详细设计、工程分析、模拟仿真以及制造等。作为一个优秀的世界领先的高端CAX/PDM软件, UG 有许多先进的技术。它具有智能化的操作树; 实现曲面和实体之间的互操作技术; 各模块之间的全相关技术等等; 还有一项在产品研制开发过程中十分重要、应用十分广泛的技术参数化设计技术。UG中的参数化设计具有简单性、实用性、功能强大等特点, 还可以根据设计要求, 进行后参数化设计等。参数化设计代表了当今计算机辅助设计行业内的最新设计趋势，以成为三维CAD的主流技术。参数化设计过程是指从功能分析到创建参数化模型的整个过程。参数化建模时参数化模型设
11、计的主要过程。建模时的关键问题就是如何创建一个满足设计要求的参数化模型，所以在进行参数化建模时需要考虑多方面的因素：1.分析组成零部件几何形体的基本因素，以此各个元素之间的关系；2.分析自由参数与那些元素有关，如何保证只有参数的自由变化；3.确定模型主要特征及所有的辅助特征；4.利用表达式编辑器，按照自由参数对部分表达式进行分析；5.确定特征创建顺序，并进行模型的创建；6.更改各个自由参数的值，验证模型的变化是否合理。参数化建模在UG中的应用：1.利用基本特征进行参数化设计，基本特征是指系统提供的特征建模功能模块和自由曲面建模功能模块中的相关特征创建操作。在进行参数化建模之前，首先要对模型进行
12、形体分析，如果模型不能分解为基本的几何元素或模型是通过布尔运算的方式组合成的，这样的模型就无法通过基本的特征进行参数化建模，在利用基本特征进行参数化建模时，只有长方体、圆柱体、圆锥体、和球体等这些基本几何元素可以作为主特征。其他特征不能作为主特征，只能与其产生依附或参考关系；2.利用草图进行参数化设计，草图是与实体模型相关联的二维图形，它的方便之处在于草图平面可以进行尺寸驱动，通过对草图对象上所添加约束方式或者约束值的修改可以改变设计参数，进而改变对象特征。通过对草图上创建的截面曲线进行拉伸、旋转和扫描等操作生成参数化实体模型，从而可以提取模型中的截面曲线的参数和拉伸等参数来实现整个模型的尺寸
13、驱动。在利用草图进行截面曲线的创建时，一般是按照以下步骤进行：1.根据零部件的设计图纸，在UG系统中确定工作平面以进行草图绘制；2.利用草图功能创建相关的草图平面；3.利用草图曲线功能在草图平面创建近似的曲线轮廓；4.利用草图的尺寸约束和几何约束功能对草图中各个曲线的位置关系和尺寸关系进行相应的约束，是约束后的草图曲线形状与设计图纸保持一致；5.退出草图功能，然后使用拉伸或扫掠等实体建模操作命令生成相关联的模型特征；6.根据要求修改相关的草图约束，更新实体模型。2.2 有限元分析法有限单元法是在当今科学技术发展和工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法，它是用计算机把复杂的零件形体自动分割成有限
14、个形状简单的单元，然后逐个分析、计算这些小单元体的变形，并按一定的关系求得零件的总变形。由于它的通用性和有效性，理论基础牢靠，物理概念清晰，解决问题效率高，能为工程师在设计阶段掌握产品性能、优化产品的结构，缩短设计试验周期，使设计制造的产品具有较强的竞争力等优点，因而受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术的快速发展，现己成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分 4-8。有限单元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长近而求得圆周率，但作为一种方法而被提出，则是上个世纪中期的事。从应用数学的角度考虑，有限元分析方法的基本思想可以追溯
15、到1943年，Courant在求解St.Venant扭转问题时，他首先尝试应用在一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小位能原理相结合的方法求解。从那以后，不少应用数学家、物理学家和工程师分别从不同角度对有限元法的离散理论、方法以及应用进行了研究。但有限元法的实际应用是随着电子计算机的出现而开始的，现己经从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元分析法的基本原理是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它的核心思想是结构的离散化，即将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的
16、力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵:在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场试验研究度场等物理特性的计算，最后对计算结果进行分析，并以图像和数据的形式直观地显示出来。从数学角度考虑，它是从变分原理出发通过分区描值把二次泛函能量积分的极值问题化为一组多元线性方程来解，人们知道直接从一个微分方程推导出它的泛函常常是很复杂的，有时甚至是不可能的，所以在求泛函时常借助于所研究问题的物理特性，诸如金属切削机床这类机械产品的刚性问题属于小变形弹性问题，因而弹性力学中最小位能原理提供了极大的方便。2.3 有限元法分析问题的一般模式对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元分析方法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和具体的求解方式不同。有限元法求解问题的基本步骤通常为 4，10第一步
