基于流固耦合传热的柴油机铝合金活塞热疲劳寿命预测方法研究

As power density of diesel engines increases, thermal loading on pistons becomes increasingly higher, resulting in a rapid increase of fatigue failure probability of pistons. This fact has become a critical limiting factor for reliability and durability of diesel engines. This study investigates the influence of major structural parameters and operating parameters of diesel engines on the characteristics of oscillating oil flows in the oil cooling gallery of aluminum alloy pistons of a high-pressure common rail diesel engine that has high power-density. The study analyzes the variation trend and the impact of oil flow characteristics on the spatial distribution of heat transfer coefficients on the wall of the oil cooling gallery, and analyzes the effect of oscillating cooling based on a combined approach of experimental testing and numerical simulation. The study also reveals mechanisms of oscillating heat transfer in the oil cooling gallery, and explores their heat transfer equations. This research covers variation trends of transient thermal loading acting on pistons at different operating conditions of a diesel engine, distribution trends of related temperatures, and response trends of thermal stress and strain in order to establish a spectrum of thermal shock loading during piston operation. This investigation uses a systematic approach to study failure modes of thermal fatigue of pistons and major influential factors of structural design via Design of Experiments (DoE), reveals impacts and mechanisms of different influential factors for failure modes, establish a prediction model for thermal fatigue life of pistons, and explores an approach to predict thermal fatigue life based on solid-liquid conjugate heat transfer. This study will provide a theoretical foundation for fatigue-resistance design of aluminum alloy pistons of diesel engines.

随着柴油机强化程度的不断提高，活塞承受的热负荷越来越高，导致活塞热疲劳失效概率增加，已成为制约现代柴油机工作可靠性和耐久性的重要因素。以强化程度较高的电控高压共轨柴油机铝合金活塞为研究对象，通过试验测试与数值仿真分析相结合的方法，研究活塞主要结构参数和发动机运行参数对内冷油腔机油振荡流动特性的影响，分析内冷油腔机油流动特性对油腔壁面传热系数分布和振荡冷却效果的影响关系和变化规律，揭示内冷油腔振荡流动传热机理，探寻内冷油腔振荡流动传热关系式。研究柴油机不同运行工况下活塞瞬态热负荷变化规律和热应力应变响应规律，建立活塞工作的热冲击载荷谱。结合试验设计方法，系统研究活塞热疲劳失效形式及其主要结构设计影响因素，揭示不同影响因素对活塞失效形式的影响机理，建立活塞热疲劳寿命预测模型，提出一种基于流固耦合传热的柴油机铝合金活塞热疲劳寿命预测方法，为柴油机铝合金活塞抗疲劳设计提供理论基础。

随着柴油机强化程度的不断提高，活塞承受的热负荷越来越高，导致活塞热疲劳失效概率增加，已成为制约现代柴油机工作可靠性和耐久性的重要因素。以强化程度较高的电控高压共轨柴油机铝合金活塞为研究对象，通过试验测试与数值仿真分析相结合的方法，研究了活塞主要结构参数和发动机运行参数对内冷油腔机油振荡流动特性的影响，分析内冷油腔机油流动特性对油腔壁面传热系数分布和振荡冷却效果的影响关系和变化规律，从而提出了一种活塞内冷油腔振荡流动传热相对位移仿真模型建立方法、逆向传热试验测试方法，获得了活塞内冷油腔振荡流动与传热机理和传热关系式，自主开发了活塞内冷油腔振荡流动与传热模拟试验台，提出了一种可控活塞热态柔性设计方法。研究了柴油机不同运行工况下活塞瞬态热负荷变化规律和热应力应变响应规律，试验测试获得了活塞头部顶面关键点在冷启动、急加速、急减速等发动机过渡工况下温度场和热负荷变化规律深入分析影响活塞瞬态温度场分布和热应力应变的活塞主要结构参数及其影响权重。开展了活塞顶面热障涂层对活塞热负荷及顶面失效的影响、活塞热冲击疲劳模拟试验方法等的研究。开展了活塞结构、顶面热障涂层、销孔结构等主要结构参数对活塞结构强度的影响关系，分析了活塞不同失效形式的断口形貌、组织演化过程、裂纹萌生和扩展规律。开展了活塞热冲击模拟试验方法，自主研发了活塞热冲击模拟试验台，系统研究了内冷油腔形状和位置、内腔表面积、活塞建模方法等结构参数对活塞热疲劳失效的影响关系，分析各结构参数的影响权重，揭示活塞热疲劳失效机理，建立了一种活塞疲劳寿命预测数学模型。. 本项目执行期公开发表期刊论文16篇，其中JCR分区一区的SCI Top期刊论文3篇，EI检索9篇，国际国内学术会议交流论文12篇；授权国家发明专利8件，发明专利转让3件，参与修订机械行业标准1项；获云南省科技进步二等奖1项。培养毕业博士研究生2人，硕士研究生5人。完成项目拟定的研究目标和预期成果。