为了探究氧化层对活塞结构可靠性的影响,以柴油机铝质活塞为研究对象建立活塞三维模型,结合试验数据对活塞温度场、热应力场和热机耦合场进行有限元模拟计算和对比分析。分析结果表明,在最大负荷工况下,阳极氧化的铝基体活塞最高温度和最大热应力较原始活塞分别下降6.58℃和14.1MPa;阳极氧化区域产生了拉应力。因此,在设计中,原始活塞顶面受压应力的区域应覆盖氧化层以平衡压应力,在原始活塞顶面受拉应力的区域应不覆盖氧化层以避免增大拉应力。活塞顶面应力状态得到改善后可以减少顶面裂纹产生,提高活塞的使用寿命。

针对某炼钢厂150 t精炼钢水包扩容到165 t后的初步设计超重问题,采用热机耦合有限元方法,考虑吊运、底部坐包和耳轴箱坐包3种工况,计算了初步设计钢包的温度场和热机耦合应力场。依据计算结果,进行了3轮减重优化分析。在每一轮分析中,根据耦合应力和温度分布分析结果,逐步优化钢包结构和尺寸。最终,使钢包外璧最高温度控制在340℃以下,最大耦合应力控制在265 MPa以下,耐火层最大耦合应力控制在20 MPa以下。通过选用高强度、抗热蠕变钢材制造钢包结构,使用减重优化设计降低钢包质量10.2 t,满足了不改造或更换吊运装置和钢水加盖机构的要求,现场运行良好。该研究为提高钢包扩容能力的相关技术水平提供了重要的依据。