船舶柴油機(jī)活塞的熱疲勞強(qiáng)度研究

黃獻(xiàn)

摘要：船舶柴油機(jī)中活塞是其一項(xiàng)重要組成部件，但在長(zhǎng)期使用過程中，受到熱沖擊等諸多因素的影響，容易導(dǎo)致活塞出現(xiàn)較大熱疲勞強(qiáng)度而影響其正常使用。因此本文將通過參考相關(guān)研究資料，采用數(shù)學(xué)建模與仿真試驗(yàn)等方式，重點(diǎn)針對(duì)船舶柴油機(jī)活塞的熱疲勞強(qiáng)度進(jìn)行簡(jiǎn)要分析研究。

Abstract： Piston is an important component of marine diesel engines， but in the long-term use process， affected by many factors such as thermal shock， it is easy to cause the piston to show greater thermal fatigue strength and affect its normal use. Therefore， this article refers to relevant research materials， adopts mathematical modeling and simulation tests， etc.， and focuses on a brief analysis of the thermal fatigue strength of marine diesel engine pistons.

關(guān)鍵詞：船舶柴油機(jī);活塞;熱疲勞強(qiáng)度

Key words： marine diesel engine;piston;thermal fatigue strength

中圖分類號(hào)：TK42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）11-0207-02

0? 引言

熱疲勞是導(dǎo)致船舶柴油機(jī)活塞出現(xiàn)損傷，縮短其使用壽命的重要影響因素之一。加強(qiáng)對(duì)船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞強(qiáng)度的研究，并以此為基礎(chǔ)科學(xué)預(yù)測(cè)活塞熱疲勞壽命，對(duì)于保障船舶柴油機(jī)活塞的正常使用，有效延長(zhǎng)其使用壽命均具有一定積極意義。本研究可為相關(guān)研究人員提供相應(yīng)理論參考，并為船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞壽命預(yù)測(cè)給予一定實(shí)踐指導(dǎo)。

1? 船舶柴油機(jī)活塞的有限元分析模型

1.1 模型建立

為有效提升船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞強(qiáng)度分析的效率及精準(zhǔn)性，本文選擇使用專門的計(jì)算機(jī)程序，以鋁合金材料制成的船舶柴油機(jī)活塞為例，建立相應(yīng)的有限元分析模型。在該模型中，依照對(duì)稱性原則，選取活塞的1/4劃分單元，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出三維立體的實(shí)體活塞單元模型。本文在分析船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞強(qiáng)度及其壽命時(shí)，選擇使用三角波形并將每一次起動(dòng)至停車操作的操作時(shí)間設(shè)定為3min。在運(yùn)用專門的有限元分析程序中，將柴油機(jī)活塞當(dāng)量允許應(yīng)變范圍的最大值設(shè)定為0.4%，如果用X代表其應(yīng)變速率，則有：

1.2 參數(shù)計(jì)算

1.2.1 溫度場(chǎng)

在對(duì)船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞進(jìn)行有限元分析的過程中，三維穩(wěn)定溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)是其較為重要的參數(shù)，可為準(zhǔn)確分析活塞熱疲勞強(qiáng)度及預(yù)測(cè)其熱疲勞壽命提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)參考。而在對(duì)活塞三維穩(wěn)態(tài)非線性解進(jìn)行計(jì)算時(shí)，當(dāng)溫度值發(fā)生變化時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)隨之出現(xiàn)相應(yīng)改變?；谶@一點(diǎn)，本文建議選擇使用ADINAT與ADINA程序，該計(jì)算機(jī)程序同時(shí)支持線性、非線性分析，并且含有眾多單元類型及材料模式，具有良好的適用性。

在實(shí)際進(jìn)行船舶柴油機(jī)活塞穩(wěn)定溫度場(chǎng)參數(shù)計(jì)算的過程中，首先需要確定活塞熱邊界條件，即按照相關(guān)公式對(duì)活塞邊界表面與周圍的換熱系數(shù)、介質(zhì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算后，利用專門的程序解析溫度場(chǎng)。而后對(duì)比分析部分特征點(diǎn)的理論與實(shí)測(cè)溫度值，并以此為基礎(chǔ)對(duì)邊界條件進(jìn)行適當(dāng)修正，再重新計(jì)算溫度場(chǎng)并將理論溫度場(chǎng)值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行相互比較分析，直至計(jì)算溫度分布當(dāng)中，部分特征點(diǎn)理論與實(shí)測(cè)溫度值完全相同即可[1]。

1.2.2 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)

在有限元分析中通過對(duì)活塞三維循環(huán)應(yīng)力值與應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，可獲得空間分布應(yīng)力值以及包括彈性與塑性應(yīng)變以及蠕變應(yīng)變?cè)趦?nèi)的三個(gè)應(yīng)變分量值。船舶柴油機(jī)活塞的當(dāng)量應(yīng)力與應(yīng)變分布計(jì)算，需使用如下公式：

上述公式當(dāng)中，（r，？茲，z）代表著圓柱坐標(biāo)，其各個(gè)方向上的應(yīng)力與線應(yīng)變分別對(duì)應(yīng)著er、e？茲、ez與Xr、X？茲、Xz。其中對(duì)應(yīng)r與z面的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變，分別用frz與Vrz進(jìn)行表示。e與Xe即對(duì)應(yīng)著活塞當(dāng)量應(yīng)力、應(yīng)變分布。根據(jù)學(xué)者蓋少磊（2018）的分析研究，可知在建立的活塞有限元分析模型中，節(jié)點(diǎn)為1004號(hào)位置處存在最大當(dāng)量應(yīng)力，對(duì)應(yīng)的當(dāng)量應(yīng)力范圍約為249MPa，而相對(duì)應(yīng)的當(dāng)量應(yīng)變范圍則約為0.58%[2]。此時(shí)在船舶柴油機(jī)活塞的銷座內(nèi)側(cè)位置處為危險(xiǎn)區(qū)域，即該位置處出現(xiàn)裂縫、磨損等問題的可能性較大。

2? 船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞強(qiáng)度仿真試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

本文在采用仿真試驗(yàn)的方式對(duì)船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞強(qiáng)度進(jìn)行分析，確定其具體數(shù)值，并為評(píng)估柴油機(jī)活塞熱疲勞壽命給予相應(yīng)參考依據(jù)的過程中，選用了鋁合金材料制作而成的活塞，而針對(duì)其三維應(yīng)力與應(yīng)變分布狀態(tài)，本仿真試驗(yàn)選擇使用中央有環(huán)形缺口的圓柱型試件進(jìn)行模擬。在分析活塞熱疲勞壽命受活塞自身結(jié)構(gòu)尺寸與形狀的影響程度中，本試驗(yàn)選用了兩種缺口型試件，在試驗(yàn)過程中按照先加熱后冷卻的方式，在使用高頻感應(yīng)加熱操作后，借助壓縮空氣的方式對(duì)試件進(jìn)行冷卻，整個(gè)仿真試驗(yàn)中，全程使用軸向應(yīng)變控制方式對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行有效控制。

結(jié)合熱疲勞理論可知，每一次柴油機(jī)起動(dòng)至停車操作中，均會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)波形以及活塞溫度場(chǎng)，而當(dāng)加載溫度與應(yīng)力之間的波形相位完全相同時(shí)，即有同相熱疲勞出現(xiàn)。加熱溫度和應(yīng)力之間的波形出現(xiàn)相位差，且該值達(dá)到-180°時(shí)，有反相位熱疲勞存在[3]。但加熱溫度保持固定不變的情況下，即存在高溫低周疲勞。在本次仿真試驗(yàn)當(dāng)中，試驗(yàn)溫度的最高值與高溫低周疲勞溫度值相一致，均為300℃，而試驗(yàn)溫度最低值則為50℃。應(yīng)變速率控制在0.000044/s。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)最終的仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，船舶柴油機(jī)在每一次起動(dòng)至停車操作過程中，受內(nèi)燃機(jī)燃燒沖擊的影響，活塞均會(huì)出現(xiàn)一定熱疲勞。在加載溫度和應(yīng)力間的波形相位保持一致的情況下，活塞試件的尺寸與缺口結(jié)構(gòu)形式，會(huì)直接影響著標(biāo)定段內(nèi)的活塞加載應(yīng)變范圍與控制應(yīng)變范圍，并且當(dāng)？駐X的值不斷減小時(shí)，活塞試件出現(xiàn)開裂等損傷的次數(shù)將會(huì)隨之有所增加。同樣在加載溫度與應(yīng)力間的波形相位相異時(shí)，活塞試件尺寸與其缺口形式仍然是影響活塞控制與加載應(yīng)變范圍，以及活塞出現(xiàn)開裂等損傷次數(shù)的關(guān)鍵因素。在加熱溫度始終不改變的情況下，依舊出現(xiàn)了相同的試驗(yàn)結(jié)果，這也表明在對(duì)船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞強(qiáng)度及壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，采用加載應(yīng)變范圍作為參量缺乏較高的科學(xué)性。整體來看，無論活塞試件為中央存在環(huán)形缺口的圓柱型，還是其它缺口型試件，在同相位與異相位熱疲勞中，隨著？駐X取值的不斷減小，活塞試件出現(xiàn)損傷的次數(shù)將會(huì)逐漸增加，即在危險(xiǎn)點(diǎn)處船舶柴油機(jī)活塞可能存在較大熱疲勞強(qiáng)度，其產(chǎn)生開裂等各種損傷問題的可能性也相對(duì)較大。因此最終本文選擇采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系，并將仿真試驗(yàn)當(dāng)中活塞試件的模擬熱疲勞壽命，以及危險(xiǎn)點(diǎn)處活塞試件當(dāng)量應(yīng)變范圍值作為該坐標(biāo)系的主要變量。結(jié)果顯示二者之間存在明顯的線性關(guān)系，并具有較理想的收斂性。證明活塞試件尺寸與結(jié)構(gòu)形式并不會(huì)對(duì)二者的內(nèi)在關(guān)系產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，在對(duì)船舶柴油機(jī)活塞低周疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)時(shí)，可選擇使用當(dāng)量應(yīng)變范圍作為關(guān)鍵參量。

3? 船舶柴油機(jī)活塞疲勞壽命的評(píng)測(cè)分析

3.1 評(píng)測(cè)方法

在對(duì)船舶柴油機(jī)活塞疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)時(shí)，有研究人員提出可以采用當(dāng)量塑性應(yīng)變范圍作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，但將其作為唯一評(píng)價(jià)指標(biāo)，容易使得標(biāo)定段內(nèi)試件的應(yīng)力、應(yīng)變均勻分布情況與工程實(shí)際不相符。此外該種評(píng)價(jià)方法種要求盡可能減小塑性范圍，當(dāng)活塞因熱疲勞而出現(xiàn)寬度為0.2mm的細(xì)小裂縫時(shí)，即將該活塞判斷為失效活塞[4]。這也使得該評(píng)價(jià)方法的適用性受到極大局限，因此本文經(jīng)過綜合考量，選擇將當(dāng)量應(yīng)變范圍作為活塞低周疲勞壽命的主要參量，在曲線回歸中選擇使用最小二乘法，則在溫度范圍為50℃至300℃的情況下，本文所選又鋁合金材料制作而成的活塞試件，評(píng)價(jià)其同相與異相熱疲勞及高溫低周熱疲勞壽命的公式分別為：

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

通過結(jié)合上文以及對(duì)船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞的仿真試驗(yàn)結(jié)果，可知無論是活塞試件的尺寸，還是其結(jié)構(gòu)形狀，均不會(huì)對(duì)活塞出現(xiàn)開裂等損傷的次數(shù)以及在危險(xiǎn)點(diǎn)處，活塞試件當(dāng)量應(yīng)變范圍產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響?；诖耍趯?duì)同為鋁合金材料的活塞熱疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)時(shí)，可選擇使用當(dāng)量應(yīng)變范圍作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。按照上文給出的評(píng)價(jià)活塞試件同相、異相熱疲勞以及高溫低周熱疲勞壽命的公式，可知在三種熱疲勞模式下，每一次船舶柴油機(jī)在起動(dòng)至停車過程中，對(duì)應(yīng)的活塞熱疲勞壽命約為2870次、8531次和4210次。

結(jié)合這一活塞熱疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，為了保障船舶柴油機(jī)活塞始終具有較高的安全可靠性，可實(shí)現(xiàn)正常使用，本文認(rèn)為應(yīng)將2870次作為該船舶柴油機(jī)活塞規(guī)定允許的熱疲勞壽命最大值。即柴油機(jī)做起動(dòng)至停機(jī)操作動(dòng)作時(shí)，至多只能做2870次，否則活塞將會(huì)因熱疲勞強(qiáng)度過大而失效，出現(xiàn)包括開裂等在內(nèi)的各種損傷，進(jìn)而直接影響船舶柴油機(jī)的正常運(yùn)行使用。本文在查閱相關(guān)資料后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前我國民用漁船等船舶的柴油機(jī)活塞平均使用壽命在3000次循環(huán)左右。這也意味著將熱疲勞設(shè)定為船舶柴油機(jī)活塞荷載模式具有較高的合理性。

另外值得注意的是，如果采用熱疲勞理論，即每一次船舶柴油機(jī)在起動(dòng)至停車過程中，均會(huì)導(dǎo)致活塞熱疲勞強(qiáng)度增加甚至由此產(chǎn)生各種損傷，則在高溫強(qiáng)度理論下，設(shè)定包括熱疲勞在內(nèi)的各種載荷模式，同時(shí)仍然使用相應(yīng)的活塞試件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對(duì)基于各載荷模式的船舶柴油機(jī)活塞疲勞特性進(jìn)行分析。將活塞疲勞壽命次數(shù)設(shè)定為規(guī)定允許的船舶柴油機(jī)做起動(dòng)至停止操作的次數(shù)，則在所有模式當(dāng)中，與實(shí)測(cè)結(jié)果最接近的模式為同相位熱疲勞模式。在立足船舶柴油機(jī)實(shí)際，科學(xué)設(shè)置包括溫度與應(yīng)變速率等在內(nèi)的各項(xiàng)重要參量的基礎(chǔ)上，可以使得船舶柴油機(jī)活塞熱疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命的分析及預(yù)測(cè)結(jié)果值，避免受到活塞自身尺寸與結(jié)構(gòu)形式的影響。在此過程中生成的各項(xiàng)參量如載荷波形等，也能夠在一定程度上為船舶柴油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供真實(shí)可靠的參考依據(jù)。

4? 結(jié)束語

通過本文的分析研究，可知在運(yùn)用專業(yè)計(jì)算機(jī)程序針對(duì)船舶柴油機(jī)活塞建立相應(yīng)的有限元分析模型，并對(duì)活塞穩(wěn)定溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算下，可以獲得活塞空間分布應(yīng)力，以及包括彈性與塑性等在內(nèi)的應(yīng)變分量。以此為基礎(chǔ)，利用當(dāng)量加載應(yīng)變范圍可有效排除活塞試件結(jié)構(gòu)、尺寸因素對(duì)其熱疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命預(yù)測(cè)的干擾。在船舶柴油機(jī)活塞的實(shí)際應(yīng)用過程中，相關(guān)工作人員還需立足實(shí)際，合理選擇載荷模式，并控制好各項(xiàng)工作參數(shù)，從而優(yōu)化活塞設(shè)計(jì)，確保船舶柴油機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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