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附录X 译文
摘要
本文的目的是通过改变不同超级合金的气压条件来研究活塞的热和结构性能。使用CATIA创建活塞模型，并在ANSYS 16.0中进行分析。所使用的边界条件是荷载、支撑、热对流。在本研究中，不同的超级合金被用作材料，它们具有不同的热导率和密度。对于Alcoa Deltalloy，与使用的其他材料相比，在相同的热对流下，最高温度较低。尽管热膨胀系数较高，但变形也较小。NIMONIC合金在所有考虑的超级合金中显示出最低的等效应力。在热载荷和结构载荷相结合的情况下，Alcoa Deltalloy显示出变形的趋势，是呈非线性趋势。随着压力的升高，UNS S20103和NIMONIC合金81的变形趋势减小。与其他两种超级合金相比，Alcoa Deltalloy的等效应力值非常小。根据观察结果，很明显，Alcoa Deltalloy是使用发动机活塞的最佳材料，可以减少故障并延长使用寿命，从而具有更好的工作条件。
关键词：发动机活塞；超级合金；热和结构分析；等效应力；形变。
- 简介
活塞是内燃机中最重要的组成部分之一，在运动过程中，活塞可能会承受热载荷和结构载荷。这两个载荷都可能导致活塞故障。很久以前，根据热分析或结构分析，开始进行活塞材料选择的工作少之又少。Troshchenko等人很久以前就研究了承受疲劳载荷的内燃机活塞所用的材料。这项工作描述了金属在热载荷和机械载荷下的行为。它还显示了不同材料的变形和径向应力。Carvalheira和Gonccedil;alves在大修条件下对两个由铝铸合金A390和球墨铸铁65-45-12制成的发动机活塞进行了有限元分析。尽管铝合金活塞比球墨铸铁活塞具有更大的方向变形，但它比铝活塞具有更大的质量，从而增加了发动机的惯性力。最近，Sharma等人参与了柴油机活塞和气缸壁的实验分析。Piątkowski认为Al-Mg合金是内燃机活塞铸件的材料。在这种情况下，本研究的主要目的是基于对活塞使用不同超级合金的热载荷引起的变形和应力，评估活塞的性能。
- 方法
使用CATIA对活塞建模，其几何尺寸可从理论计算中获得。然后将其导入到ANSYS Workbench中，如图1（a）所示。为了通过有限元分析模型，如图1（b）所示，使用了三角形网格，并在模型的网格中生成了148202个单元。在进行静态结构分析时，边界条件定义为载荷和支撑，在进行热分析时，边界条件定义为对流换热系数。通过对实际问题的研究和分析，得出了两个边界条件用于结构分析，两个边界条件用于热分析。对于结构分析，第一边界条件是5的压力，作用在活塞的头部表面上，第二边界条件是几何结构的支撑。通过对实际问题的研究，发现如果有无摩擦支撑，这是由活塞销孔提供的。对于热分析，第一边界条件是外表面上的对流系数为2330，内表面为750，第二边界条件是活塞头上的热流为9923。用于活塞的材料为Alcoa Deltalloy 4032-T651铝，ATI Allegheny Ludlum 201L退火不锈钢（UNS S20103）和NIMONIC合金81（在本文中称为Alcoa Deltalloy，UNS S20103和NIMONIC合金）。它们具有不同的导热率和密度，可能适合用作活塞材料。
图1 （a）活塞的几何形状；（b）几何形状的啮合
- 结果与讨论
研究热载荷条件是分析活塞的合适方法。 绘制了四种合金在活塞上的温度曲线。 讨论了使用不同材料在活塞中获得的最高温度。确定了活塞中的变形形式和最大变形值。当量应力或von Mises应力经常用于活塞设计中，因为它允许将任何随机3D应力状态表示为单个正应力值。当量应力是最大当量应力破坏理论中用于预测任何给定延性材料屈服的部分。这里，绘制了所有材料的等效应力等值线和最大值。最后，将温度、等效应力和不同材料的变形制成表格，以方便理解。
3.1热载荷的影响
图2中画出了，Alcoa Deltalloy、UNS S20103和NIMONIC合金在活塞上的温度曲线。重要的是，对于Alcoa Deltalloy和UNS S20103，温度的最大值位于活塞头的中心，并朝活塞头的边缘减小。由于Alocoa Deltalloy的导热系数较高，因此与UNS S20103相比，最高温度区域要小。对于NIMONIC合金，最高温度在活塞头的底部和活塞头的顶部。最高温度出现在活塞的外侧附近。温度从最高温度的位置朝向内侧和外侧都降低，但是与中心相比，朝向外侧的温度梯度更大。Alcoa Deltalloy的最低温度为147.9°C，NIMONIC合金的最高温度为446.51°C，如图2和3所示。如图2所示，在Alcoa Deltalloy中观察到了最低温度，在NIMONIC合金中观察到了最高温度。对于所有使用的三种材料，如图4所示，在活塞头顶部的拐角处和在活塞顶部平台的一小部分处的变形最大。活塞中的变形仅取决于温度差和热膨胀系数。变形是由于温度差沿纵向方向而发生的，并且是朝着活塞头的方向。活塞头的主要变形是由于温度变形和径向的方向。因此，由于上述两个条件，在活塞的拐角处发生了最大变形。对于Alcoa Deltalloy，其最小变形为0.26714毫米，对于UNS S20103，最大变形为0.54342毫米，如图4和图5所示。尽管由于较低的温差而具有较高的热膨胀系数，但在Alcoa Deltalloy材料的活塞中变形最小。
图2 （a）Alcoa Deltalloy（b）UNS S20103（c）NIMONIC合金在活塞上的温度曲线。
图2 （a）Alcoa Deltalloy（b）UNS S20103（c）NIMONIC合金活塞上的温度分布。
图3 不同材料的活塞的最高温度。
图4 由于（a）Alcoa Deltalloy（b）UNS S20103（c）NIMONIC合金的热载荷导致的活塞变形。
图5 活塞的最大变形
发现等效应力在活塞头的中心处最大。带有Aloca合金的活塞表明，应力在活塞环区域（活塞裙）处逐渐增大。应力也会发展到其他两种材料的活塞环面积。如图6和7所示，由UNS S20103制成的活塞的等效应力最大，为516.35 Mpa，由NIMONIC合金制成的活塞的等效应力最低。
图6 （a）Alcoa Deltalloy（b）UNS S20103（c）NIMONIC合金由于热载荷引起的活塞中的等效应力。
图7 由于热载荷导致的活塞中的等效应力。
3.2压力的影响
汽缸压力是在发动机运转的所有四个冲程中发动机汽缸中的压力，它推动活塞产生动力，并且在所有冲程中测量汽缸压力对于精确的发动机性能预测至关重要。观察到此处使用的所有材料的变形都在增加，同时增加了气压。发现，对于由Alcoa Deltalloy制造的活塞，变形更大。对于结构载荷，由UNS S20103和NIMONIC合金制成的活塞显示出相似的趋势，如图8（a）所示。图8（b）显示了热载荷和压力的影响。与图7（a）相比，观察到由UNS S20103制成的活塞和NIMONIC合金材料之间的变形有不同的下降趋势，而Alcoa Deltalloy材料则显示出上升趋势。但是，与其他两种材料相比，Alcoa Deltalloy材料的总变形量似乎较小。对于所有材料，在6的压力下（在1.5-6的压力范围内），变形值最大且非常接近。已经观察到用于这项工作的所有材料的等效应力都有增加的趋势，同时增加了气压。如图9（a）所示，所有活塞材料的Alcoa Deltalloy、UNS S20103和NIMONIC合金的等效应力都显示出相同的趋势。最大等效应力值为6。
图8 活塞中的总变形（a）仅有压力（b）有压力以及热载荷。
图9（b）显示了热载荷和压力对等效应力的影响。观察到Alcoa Deltalloy和其他两种材料的图之间存在很大差异。对于ATIUNS S20103和NIMONIC合金，观察到变形的不同下降趋势。Alcoa Deltalloy材料显示出增加的趋势。与其他两种材料相比，Alcoa Deltalloy材料的等效应力的大小非常小。 为了清楚地理解，表1中列出了不同材料的温度，等效应力和变形。
表1 不同材料的温度，等效应力和变形。
图9 活塞中的等效应力（a）仅是压力（b）有压力以及热载荷。
- 结论
用不同的材料对活塞进行热和结构分析。使用CATIA创建活塞模型，并在ANSYS16.0上进行分析。使用的边界条件为载荷，支撑、对流换热系数。在本研究中，使用不同的超级合金作为材料，它们具有不同的热导率和密度。通过更改由不同材料制成的活塞的气压来进行比较。从研究中发现，对于相同的热流，Alcoa Deltalloy由于具有较高的导热率而获得了最低温度。 Alcoa Deltalloy具有较高的热膨胀系数，但由于温度较低，因此变形较小，并且也比其他两种材料小。 NIMONIC合金81表现出最小的等效应力。在结构分析中，应力和变形与气压变化成正比。在热结构分析中，Alcoa Deltalloy显示出变形的增加趋势。而且，发现与其他两种所用材料相比，Alcoa Deltalloy材料的总变形量和等效应力较小。因此，本工作发现了压力和温度的影响，为IC引擎开发人员确定合适的活塞材料铺平了道路。
参考文献
[1] V.T. Troshchenko, S. P. Sinyavskii, S.S. Gorodetskii, A.P. Gopkalo, A.K. Rusanovskii, Strength of the materials used for pistons of internalcombustion engines on subjection to fatigue and thermal fatigue loading, Strength of Materials, 8(7) (1976) 747–753.
[2] P. Carvalheira and P. Gonccedil;alves, FEA of two engine pistons made of aluminium cast alloy A390 and ductile iron 65-45-12 under service conditions, 5th International Conference on Mechanics and Materials in Design, Porto-Portugal, 24-26 July, 2006.
[3] S.K. Sharma, P.K. Saini, N. K. Samria, Experimental thermal analysis of diesel engine piston and cylinder wall, Journal of Engineering, 178652 (2015) 1-10.
[4] J. Piątkowski, AlSi17Cu5Mg alloy as future material for castings of pistons for internal combustion engines, METABK, 54(3) (2015) 511514.
译文标题
基于不同但合适的超级合金的内燃机活塞的热和结构分析
附录Y 外文原文
Abstract
The objective of this paper is to study the thermal and structural performance of piston by changing the gas pressure conditions with different super alloys. Piston model is created using CATIA and analysis is done in ANSYS 16. Boundary conditions used are load, support, convection coefficient and heat flow. Different super alloys are used as materials in the present study that have dissimilar thermal conductivities and densities. For Alcoa Deltalloy, the maximum temperature occurred is low for the same heat flow input as compared to other materials used. It also has less deformation in spite of higher thermal expansion coefficient. NIMONIC alloy showed the lowest equivalent stress among all the super alloys considered. In case of combined thermal and structural load, Alcoa Deltalloy showed the increasing trend of deformation, but non-linear. UNS S20103 and NIMONIC alloy 81 showed decreasing trend of deformation as pressure is increased. The value of equivalent stress in Alcoa Deltalloy is found to be very less
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