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1、內(nèi)燃機(jī)活塞的工作環(huán)境惡劣,需要承受交變高強(qiáng)度機(jī)械載荷和熱載荷。熱障涂層(TBC)活塞綜合利用多相材料的優(yōu)點(diǎn),為提高內(nèi)燃機(jī)的壽命和可靠性提供良好的技術(shù)支撐。為了制造滿足技術(shù)要求的TBC活塞,在設(shè)計(jì)階段需要準(zhǔn)確預(yù)估其熱力性能。建立適用于TBC活塞熱力性能研究的數(shù)值方法,為新型活塞提供性能預(yù)測(cè)工具具有重要工程意義。
TBC活塞幾何形狀復(fù)雜、材料屬性空間變化,因此采用的研究方法需要具備處理任意非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和復(fù)合材料的能力,同時(shí)需要兼顧計(jì)
2、算精度和計(jì)算消耗??紤]到有限體積法(FVM)對(duì)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的適用性和對(duì)固體力學(xué)問題的實(shí)用性,本文以FVM為基本算法建立適用于TBC活塞熱力性能預(yù)測(cè)的數(shù)值方法。
針對(duì)TBC結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力問題,建立兩套數(shù)值方法,即格心型有限體積法(CC-FVM)和格點(diǎn)型有限體積法(CV-FVM)。準(zhǔn)確求解TBC熱應(yīng)力問題,需要將物性參數(shù)的空間變化引入離散過程。為此,本文 CC-FVM采用中心差分方法計(jì)算離散方程中涉及的面單元上的物理量,從而在離散方程中
3、體現(xiàn)物性參數(shù)的變化;本文 CV-FVM采用交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù),將待解變量和物性參數(shù)定義在不同的空間位置,從而在控制體單元中體現(xiàn)物性參數(shù)的變化。
評(píng)價(jià)兩種方法的數(shù)值性能和對(duì)復(fù)合材料的適用性。結(jié)果表明,CC-FVM的計(jì)算精度和代數(shù)精度低于 CV-FVM,內(nèi)存消耗少于 CV-FVM,計(jì)算效率低于 CV-FVM,尤其對(duì)于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格CC-FVM收斂緩慢甚至發(fā)散;修改CC-FVM離散方程的形式,能提高其收斂速度,但不能避免計(jì)算非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格問題時(shí)的
4、發(fā)散問題;針對(duì)功能梯度材料(FGM)問題,CC-FVM和CV-FVM都能有效避免材料屬性空間變化引起的數(shù)值不連續(xù);針對(duì)層合材料問題,CC-FVM計(jì)算得到的材料分界面應(yīng)力存在數(shù)值波動(dòng),而CV-FVM計(jì)算結(jié)果與理論解吻合良好;與現(xiàn)有復(fù)合材料熱應(yīng)力數(shù)值分析方法對(duì)比,CV-FVM比有限體積理論(FVT)需要的計(jì)算量和內(nèi)存少,比梯度有限元方法(FEM)具有更廣泛的適用性,不受載荷和材料變化方向的限制。
擴(kuò)展CV-FVM的應(yīng)用范圍,針對(duì)溫
5、度非線性問題建立CV-FVM求解流程,針對(duì)非均質(zhì)問題給出材料顆粒隨機(jī)分布的實(shí)現(xiàn)方法。采用CV-FVM數(shù)值模擬不同形式TBC熱應(yīng)力場(chǎng),分析溫度非線性、材料分界面形貌、FGM形式和材料非均質(zhì)等對(duì)TBC熱力性能的影響,驗(yàn)證CV-FVM對(duì)復(fù)雜TBC熱應(yīng)力問題的適用性。
采用CV-FVM數(shù)值模擬不同活塞熱應(yīng)力場(chǎng),對(duì)比分析TBC活塞與普通活塞的熱力性能,結(jié)果表明TBC的使用能夠減小活塞的變形,增加活塞表面溫度,降低活塞環(huán)槽區(qū)域的應(yīng)力水平,
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