黃獻(xiàn)

摘要：船舶柴油機中活塞是其一項重要組成部件，但在長期使用過程中，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)建模與仿真試驗等方式，重點針對船舶柴油機活塞的熱疲勞強度進(jìn)行簡要分析研究。

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;活塞;熱疲勞強度

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

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

0? 引言

熱疲勞是導(dǎo)致船舶柴油機活塞出現(xiàn)損傷，縮短其使用壽命的重要影響因素之一。加強對船舶柴油機活塞熱疲勞強度的研究，并以此為基礎(chǔ)科學(xué)預(yù)測活塞熱疲勞壽命，對于保障船舶柴油機活塞的正常使用，有效延長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，并為船舶柴油機活塞熱疲勞壽命預(yù)測給予一定實踐指導(dǎo)。

1? 船舶柴油機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活塞熱疲勞強度分析的效率及精準(zhǔn)性，本文選擇使用專門的計算機程序，以鋁合金材料制成的船舶柴油機活塞為例，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)建出三維立體的實體活塞單元模型。本文在分析船舶柴油機活塞熱疲勞強度及其壽命時，選擇使用三角波形并將每一次起動至停車操作的操作時間設(shè)定為3min。在運用專門的有限元分析程序中，將柴油機活塞當(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)計算

1.2.1 溫度場

在對船舶柴油機活塞熱疲勞進(jìn)行有限元分析的過程中，三維穩(wěn)定溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場是其較為重要的參數(shù)，可為準(zhǔn)確分析活塞熱疲勞強度及預(yù)測其熱疲勞壽命提供真實可靠的數(shù)據(jù)參考。而在對活塞三維穩(wěn)態(tài)非線性解進(jìn)行計算時，當(dāng)溫度值發(fā)生變化時，其導(dǎo)熱系數(shù)也會隨之出現(xiàn)相應(yīng)改變?；谶@一點，本文建議選擇使用ADINAT與ADINA程序，該計算機程序同時支持線性、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。

在實際進(jìn)行船舶柴油機活塞穩(wěn)定溫度場參數(shù)計算的過程中，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)確計算后，利用專門的程序解析溫度場。而后對比分析部分特征點的理論與實測溫度值，并以此為基礎(chǔ)對邊界條件進(jìn)行適當(dāng)修正，再重新計算溫度場并將理論溫度場值與實際測量值進(jìn)行相互比較分析，直至計算溫度分布當(dāng)中，部分特征點理論與實測溫度值完全相同即可[1]。

1.2.2 應(yīng)力應(yīng)變場

在有限元分析中通過對活塞三維循環(huán)應(yīng)力值與應(yīng)變場進(jìn)行計算，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)變在內(nèi)的三個應(yīng)變分量值。船舶柴油機活塞的當(dāng)量應(yīng)力與應(yīng)變分布計算，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)，其各個方向上的應(yīng)力與線應(yīng)變分別對應(yīng)著er、e？茲、ez與Xr、X？茲、Xz。其中對應(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)點為1004號位置處存在最大當(dāng)量應(yīng)力，對應(yīng)的當(dāng)量應(yīng)力范圍約為249MPa，而相對應(yīng)的當(dāng)量應(yīng)變范圍則約為0.58%[2]。此時在船舶柴油機活塞的銷座內(nèi)側(cè)位置處為危險區(qū)域，即該位置處出現(xiàn)裂縫、磨損等問題的可能性較大。

2? 船舶柴油機活塞熱疲勞強度仿真試驗

2.1 試驗方法

本文在采用仿真試驗的方式對船舶柴油機活塞熱疲勞強度進(jìn)行分析，確定其具體數(shù)值，并為評估柴油機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，而針對其三維應(yīng)力與應(yīng)變分布狀態(tài)，本仿真試驗選擇使用中央有環(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，本試驗選用了兩種缺口型試件，在試驗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試件進(jìn)行冷卻，整個仿真試驗中，全程使用軸向應(yīng)變控制方式對試驗進(jìn)行有效控制。

結(jié)合熱疲勞理論可知，每一次柴油機起動至停車操作中，均會出現(xiàn)相應(yīng)波形以及活塞溫度場，而當(dāng)加載溫度與應(yīng)力之間的波形相位完全相同時，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，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。在本次仿真試驗當(dāng)中，試驗溫度的最高值與高溫低周疲勞溫度值相一致，均為300℃，而試驗溫度最低值則為50℃。應(yīng)變速率控制在0.000044/s。

2.2 試驗結(jié)果

根據(jù)最終的仿真試驗結(jié)果可知，船舶柴油機在每一次起動至停車操作過程中，受內(nèi)燃機燃燒沖擊的影響，活塞均會出現(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，活塞試件出現(xiàn)開裂等損傷的次數(shù)將會隨之有所增加。同樣在加載溫度與應(yīng)力間的波形相位相異時，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)了相同的試驗結(jié)果，這也表明在對船舶柴油機活塞熱疲勞強度及壽命進(jìn)行評價時，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)將會逐漸增加，即在危險點處船舶柴油機活塞可能存在較大熱疲勞強度，其產(chǎn)生開裂等各種損傷問題的可能性也相對較大。因此最終本文選擇采用雙對數(shù)坐標(biāo)系，并將仿真試驗當(dāng)中活塞試件的模擬熱疲勞壽命，以及危險點處活塞試件當(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)形式并不會對二者的內(nèi)在關(guān)系產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，在對船舶柴油機活塞低周疲勞壽命進(jìn)行評估預(yù)測時，可選擇使用當(dāng)量應(yīng)變范圍作為關(guān)鍵參量。

3? 船舶柴油機活塞疲勞壽命的評測分析

3.1 評測方法

在對船舶柴油機活塞疲勞壽命進(jìn)行評估和預(yù)測時，有研究人員提出可以采用當(dāng)量塑性應(yīng)變范圍作為主要評價指標(biāo)，但將其作為唯一評價指標(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際不相符。此外該種評價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，即將該活塞判斷為失效活塞[4]。這也使得該評價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，評價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)測結(jié)果

通過結(jié)合上文以及對船舶柴油機活塞熱疲勞的仿真試驗結(jié)果，可知無論是活塞試件的尺寸，還是其結(jié)構(gòu)形狀，均不會對活塞出現(xiàn)開裂等損傷的次數(shù)以及在危險點處，活塞試件當(dāng)量應(yīng)變范圍產(chǎn)生實質(zhì)性的影響?；诖?，在對同為鋁合金材料的活塞熱疲勞壽命進(jìn)行評估與預(yù)測時，可選擇使用當(dāng)量應(yīng)變范圍作為主要評價指標(biāo)。按照上文給出的評價活塞試件同相、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，每一次船舶柴油機在起動至停車過程中，對應(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度及疲勞壽命預(yù)測結(jié)果，為了保障船舶柴油機活塞始終具有較高的安全可靠性，可實現(xiàn)正常使用，本文認(rèn)為應(yīng)將2870次作為該船舶柴油機活塞規(guī)定允許的熱疲勞壽命最大值。即柴油機做起動至停機操作動作時，至多只能做2870次，否則活塞將會因熱疲勞強度過大而失效，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的正常運行使用。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在起動至停車過程中，均會導(dǎo)致活塞熱疲勞強度增加甚至由此產(chǎn)生各種損傷，則在高溫強度理論下，設(shè)定包括熱疲勞在內(nèi)的各種載荷模式，同時仍然使用相應(yīng)的活塞試件進(jìn)行仿真試驗，對基于各載荷模式的船舶柴油機活塞疲勞特性進(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做起動至停止操作的次數(shù)，則在所有模式當(dāng)中，與實測結(jié)果最接近的模式為同相位熱疲勞模式。在立足船舶柴油機實際，科學(xué)設(shè)置包括溫度與應(yīng)變速率等在內(nèi)的各項重要參量的基礎(chǔ)上，可以使得船舶柴油機活塞熱疲勞強度與疲勞壽命的分析及預(yù)測結(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參量如載荷波形等，也能夠在一定程度上為船舶柴油機的優(yōu)化設(shè)計提供真實可靠的參考依據(jù)。

4? 結(jié)束語

通過本文的分析研究，可知在運用專業(yè)計算機程序針對船舶柴油機活塞建立相應(yīng)的有限元分析模型，并對活塞穩(wěn)定溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行準(zhǔn)確計算下，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)、尺寸因素對其熱疲勞強度與疲勞壽命預(yù)測的干擾。在船舶柴油機活塞的實際應(yīng)用過程中，相關(guān)工作人員還需立足實際，合理選擇載荷模式，并控制好各項工作參數(shù)，從而優(yōu)化活塞設(shè)計，確保船舶柴油機可以長時間實現(xiàn)安全、穩(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)：

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[3]鄧晰文，雷基林，文均，等.活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)對柴油機活塞傳熱與溫度場的影響分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33（10）：102-108.

[4]許春光，王根全，文洋，等.基于FEMFAT的柴油機活塞低周熱疲勞壽命預(yù)測[J].內(nèi)燃機，2017（02）：55-57，62.