[发明专利]一种气缸盖激光热负荷试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以激光为热源的气缸盖热负荷试验方法。

背景技术

目前对气缸盖热负荷试验的研究主要是热模拟系统的零部件试验，具有经济性好、周期性短、针对性强等优点。目前国内外热模拟系统主要有红外线加热系统、燃气加热系统、高频感应加热系统、石英灯加热系统以及激光加热系统等。而红外线加热系统、燃气加热系统、高频感应加热系统等，都不能有效的模拟气缸盖火力面温度分布。而激光具有功率密度高、时空分布可控性好的特点，已经在热负荷试验中具有较明显优势。

国内外也利用激光开展了其它材料的热疲劳研究，如德国Ruhr大学的Schaus教授和Pohl教授两人共同开发了一套热疲劳模拟系统用以对火车轨道材料进行研究。日本的KUTSUNA等几位学者也设计了一台采用Nd-YAG激光器加热的热模拟试验系统，用以研究涡轮机材料的热疲劳状况。98年前后，NASA的Zhu Dongming等人对热障陶瓷涂层(TBCs)在激光加载条件下的热疲劳破坏行为开展了广泛的研究，之后他们还建立了一套用于研究高性能发动机材料的热疲劳过程的实验系统，该系统采用脉冲式CO₂激光器对试样进行加载。我国湘潭大学的龙士国和周益春采用实验及数值模拟的方法，对激光引发的颗粒增强金属基复合材料的热疲劳行为进行了深入分析。以上这些激光加载热疲劳模拟试验系统的研究对象主要以块状试件为主，并没有涉及整个零件结构。

目前以本实验室为主要研究机构，采用高功率密度的激光束作为热源，借助机器人系统和反求方法设计的激光光束整形器，对活塞激光热负荷试验进行了研究，但是只能模拟活塞顶面特定三个圆环区域的温度分布，不能实现模拟活塞顶面实际工况下的整体温度分布情况。

因此，现有技术的不足就需要提供一种以激光作为热源的气缸盖激光热负荷试验方法，能够模拟实际工况下气缸盖火力面的整体温度分布情况。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不能模拟实际工况下零部件顶面整体温度分布的缺点，提供一种以激光作为热源的气缸盖激光热负荷试验方法，能够模拟实际工况下气缸盖火力面的整体温度分布情况。

本发明的一种气缸盖激光热负荷试验方法，具体步骤如下：

1)根据实际工况下实测的气缸盖火力面温度分布，通过建立三维有限元分析模型，进行不同光强分布光束加载下的火力面温度分布计算，最终确定所需加载光束的特定光强分布，使数值模拟温度场与实况实测温度场一致；

2)利用光束整形器将原始入射激光束整形为步骤1)所得的加载光束，计算整形元件位相，并制作光束整形器；

3)将制作完成的光束整形器放入激光头中，采用光束分析检测装置测试整形后光束光强分布；

4)光束整形器用于实际气缸盖激光热负荷试验中，通过时间和温度控制模式，结合自然冷却及风冷方式，进行高低周热负荷试验。

进一步，所述步骤1)具体包括如下步骤：

i)当气缸盖工作在实际工况时，通过热电偶对气缸盖火力面进行多点温度值测量，测量点主要分布在鼻梁区区域，以此多点温度值来反映气缸盖火力面的温度分布；

ii)根据气缸盖结构设计模型，建立三维有限元分析模型，进行网格划分，对气缸盖火力面细化以提高计算精度；温度场计算是基于傅立叶热传导定律，表达式为：

q=-λdTdx]]>

式中，q为热流密度向量，λ为材料导热系数，dT/dx表征温度梯度；

非定常热传导情况下的微分方程为：