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标题

船舶柴油机活塞的热疲劳强度研究

范文

黄献

摘要：船舶柴油机中活塞是其一项重要组成部件，但在长期使用过程中，受到热冲击等诸多因素的影响，容易导致活塞出现较大热疲劳强度而影响其正常使用。因此本文将通过参考相关研究资料，采用数学建模与仿真试验等方式，重点针对船舶柴油机活塞的热疲劳强度进行简要分析研究。

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.

关键词：船舶柴油机;活塞;热疲劳强度

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

中圖分类号：TK42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）11-0207-02

0? 引言

热疲劳是导致船舶柴油机活塞出现损伤，缩短其使用寿命的重要影响因素之一。加强对船舶柴油机活塞热疲劳强度的研究，并以此为基础科学预测活塞热疲劳寿命，对于保障船舶柴油机活塞的正常使用，有效延长其使用寿命均具有一定积极意义。本研究可为相关研究人员提供相应理论参考，并为船舶柴油机活塞热疲劳寿命预测给予一定实践指导。

1? 船舶柴油机活塞的有限元分析模型

1.1 模型建立

为有效提升船舶柴油机活塞热疲劳强度分析的效率及精准性，本文选择使用专门的计算机程序，以铝合金材料制成的船舶柴油机活塞为例，建立相应的有限元分析模型。在该模型中，依照对称性原则，选取活塞的1/4划分单元，并在此基础上构建出三维立体的实体活塞单元模型。本文在分析船舶柴油机活塞热疲劳强度及其寿命时，选择使用三角波形并将每一次起动至停车操作的操作时间设定为3min。在运用专门的有限元分析程序中，将柴油机活塞当量允许应变范围的最大值设定为0.4%，如果用X代表其应变速率，则有：

1.2 参数计算

1.2.1 温度场

在对船舶柴油机活塞热疲劳进行有限元分析的过程中，三维稳定温度场与应力应变场是其较为重要的参数，可为准确分析活塞热疲劳强度及预测其热疲劳寿命提供真实可靠的数据参考。而在对活塞三维稳态非线性解进行计算时，当温度值发生变化时，其导热系数也会随之出现相应改变。基于这一点，本文建议选择使用ADINAT与ADINA程序，该计算机程序同时支持线性、非线性分析，并且含有众多单元类型及材料模式，具有良好的适用性。

在实际进行船舶柴油机活塞稳定温度场参数计算的过程中，首先需要确定活塞热边界条件，即按照相关公式对活塞边界表面与周围的换热系数、介质温度进行准确计算后，利用专门的程序解析温度场。而后对比分析部分特征点的理论与实测温度值，并以此为基础对边界条件进行适当修正，再重新计算温度场并将理论温度场值与实际测量值进行相互比较分析，直至计算温度分布当中，部分特征点理论与实测温度值完全相同即可[1]。

1.2.2 应力应变场

在有限元分析中通过对活塞三维循环应力值与应变场进行计算，可获得空间分布应力值以及包括弹性与塑性应变以及蠕变应变在内的三个应变分量值。船舶柴油机活塞的当量应力与应变分布计算，需使用如下公式：

上述公式当中，（r，？兹，z）代表着圆柱坐标，其各个方向上的应力与线应变分别对应着er、e？兹、ez与Xr、X？兹、Xz。其中对应r与z面的剪应力与剪应变，分别用frz与Vrz进行表示。e与Xe即对应着活塞当量应力、应变分布。根据学者盖少磊（2018）的分析研究，可知在建立的活塞有限元分析模型中，节点为1004号位置处存在最大当量应力，对应的当量应力范围约为249MPa，而相对应的当量应变范围则约为0.58%[2]。此时在船舶柴油机活塞的销座内侧位置处为危险区域，即该位置处出现裂缝、磨损等问题的可能性较大。

2? 船舶柴油机活塞热疲劳强度仿真试验

2.1 试验方法

本文在采用仿真试验的方式对船舶柴油机活塞热疲劳强度进行分析，确定其具体数值，并为评估柴油机活塞热疲劳寿命给予相应参考依据的过程中，选用了铝合金材料制作而成的活塞，而针对其三维应力与应变分布状态，本仿真试验选择使用中央有环形缺口的圆柱型试件进行模拟。在分析活塞热疲劳寿命受活塞自身结构尺寸与形状的影响程度中，本试验选用了两种缺口型试件，在试验过程中按照先加热后冷却的方式，在使用高频感应加热操作后，借助压缩空气的方式对试件进行冷却，整个仿真试验中，全程使用轴向应变控制方式对试验进行有效控制。

结合热疲劳理论可知，每一次柴油机起动至停车操作中，均会出现相应波形以及活塞温度场，而当加载温度与应力之间的波形相位完全相同时，即有同相热疲劳出现。加热温度和应力之间的波形出现相位差，且该值达到-180°时，有反相位热疲劳存在[3]。但加热温度保持固定不变的情况下，即存在高温低周疲劳。在本次仿真试验当中，试验温度的最高值与高温低周疲劳温度值相一致，均为300℃，而试验温度最低值则为50℃。应变速率控制在0.000044/s。

2.2 试验结果

根据最终的仿真试验结果可知，船舶柴油机在每一次起动至停车操作过程中，受内燃机燃烧冲击的影响，活塞均会出现一定热疲劳。在加载温度和应力间的波形相位保持一致的情况下，活塞试件的尺寸与缺口结构形式，会直接影响着标定段内的活塞加载应变范围与控制应变范围，并且当？驻X的值不断减小时，活塞试件出现开裂等损伤的次数将会随之有所增加。同样在加载温度与应力间的波形相位相异时，活塞试件尺寸与其缺口形式仍然是影响活塞控制与加载应变范围，以及活塞出现开裂等损伤次数的关键因素。在加热温度始终不改变的情况下，依旧出现了相同的试验结果，这也表明在对船舶柴油机活塞热疲劳强度及寿命进行评价时，采用加载应变范围作为参量缺乏较高的科学性。整体来看，无论活塞试件为中央存在环形缺口的圆柱型，还是其它缺口型试件，在同相位与异相位热疲劳中，随着？驻X取值的不断减小，活塞试件出现损伤的次数将会逐渐增加，即在危险点处船舶柴油机活塞可能存在较大热疲劳强度，其产生开裂等各种损伤问题的可能性也相对较大。因此最终本文选择采用双对数坐标系，并将仿真试验当中活塞试件的模拟热疲劳寿命，以及危险点处活塞试件当量应变范围值作为该坐标系的主要变量。结果显示二者之间存在明显的线性关系，并具有较理想的收敛性。证明活塞试件尺寸与结构形式并不会对二者的内在关系产生实质性的影响，在对船舶柴油机活塞低周疲劳寿命进行评估预测时，可选择使用当量应变范围作为关键参量。

3? 船舶柴油机活塞疲劳寿命的评测分析

3.1 评测方法

在对船舶柴油机活塞疲劳寿命进行评估和预测时，有研究人员提出可以采用当量塑性应变范围作为主要评价指标，但将其作为唯一评价指标，容易使得标定段内试件的应力、应变均匀分布情况与工程实际不相符。此外该种评价方法种要求尽可能减小塑性范围，当活塞因热疲劳而出现宽度为0.2mm的细小裂缝时，即将该活塞判断为失效活塞[4]。这也使得该评价方法的适用性受到极大局限，因此本文经过综合考量，选择将当量应变范围作为活塞低周疲劳寿命的主要参量，在曲线回归中选择使用最小二乘法，则在温度范围为50℃至300℃的情况下，本文所选又铝合金材料制作而成的活塞试件，评价其同相与异相热疲劳及高温低周热疲劳寿命的公式分别为：

3.2 预测结果

通过结合上文以及对船舶柴油机活塞热疲劳的仿真试验结果，可知无论是活塞试件的尺寸，还是其结构形状，均不会对活塞出现开裂等损伤的次数以及在危险点处，活塞试件当量应变范围产生实质性的影响。基于此，在对同为铝合金材料的活塞热疲劳寿命进行评估与预测时，可选择使用当量应变范围作为主要评价指标。按照上文给出的评价活塞试件同相、异相热疲劳以及高温低周热疲劳寿命的公式，可知在三种热疲劳模式下，每一次船舶柴油机在起动至停车过程中，对应的活塞热疲劳寿命约为2870次、8531次和4210次。

结合这一活塞热疲劳强度及疲劳寿命预测结果，为了保障船舶柴油机活塞始终具有较高的安全可靠性，可实现正常使用，本文认为应将2870次作为该船舶柴油机活塞规定允许的热疲劳寿命最大值。即柴油机做起動至停机操作动作时，至多只能做2870次，否则活塞将会因热疲劳强度过大而失效，出现包括开裂等在内的各种损伤，进而直接影响船舶柴油机的正常运行使用。本文在查阅相关资料后，发现当前我国民用渔船等船舶的柴油机活塞平均使用寿命在3000次循环左右。这也意味着将热疲劳设定为船舶柴油机活塞荷载模式具有较高的合理性。

另外值得注意的是，如果采用热疲劳理论，即每一次船舶柴油机在起动至停车过程中，均会导致活塞热疲劳强度增加甚至由此产生各种损伤，则在高温强度理论下，设定包括热疲劳在内的各种载荷模式，同时仍然使用相应的活塞试件进行仿真试验，对基于各载荷模式的船舶柴油机活塞疲劳特性进行分析。将活塞疲劳寿命次数设定为规定允许的船舶柴油机做起动至停止操作的次数，则在所有模式当中，与实测结果最接近的模式为同相位热疲劳模式。在立足船舶柴油机实际，科学设置包括温度与应变速率等在内的各项重要参量的基础上，可以使得船舶柴油机活塞热疲劳强度与疲劳寿命的分析及预测结果值，避免受到活塞自身尺寸与结构形式的影响。在此过程中生成的各项参量如载荷波形等，也能够在一定程度上为船舶柴油机的优化设计提供真实可靠的参考依据。

4? 结束语

通过本文的分析研究，可知在运用专业计算机程序针对船舶柴油机活塞建立相应的有限元分析模型，并对活塞稳定温度场与应力应变场进行准确计算下，可以获得活塞空间分布应力，以及包括弹性与塑性等在内的应变分量。以此为基础，利用当量加载应变范围可有效排除活塞试件结构、尺寸因素对其热疲劳强度与疲劳寿命预测的干扰。在船舶柴油机活塞的实际应用过程中，相关工作人员还需立足实际，合理选择载荷模式，并控制好各项工作参数，从而优化活塞设计，确保船舶柴油机可以长时间实现安全、稳定运行。

参考文献：

[1]程瑶.轻型柴油机活塞典型失效的分析研究[D].南昌大学，2019.

[2]盖少磊.大功率柴油机活塞设计与评价[D].山东大学，2018.

[3]邓晰文，雷基林，文均，等.活塞结构参数对柴油机活塞传热与温度场的影响分析[J].农业工程学报，2017，33（10）：102-108.

[4]许春光，王根全，文洋，等.基于FEMFAT的柴油机活塞低周热疲劳寿命预测[J].内燃机，2017（02）：55-57，62.

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