摘要
为契合现代化发展需求，船舶柴油机呈现高性能化、低排放和高强度运作趋势。内燃机性能的提高势必产生更高的燃烧温度和更剧烈的机械载荷，内燃机组件的稳定性迎来巨大的挑战。排气门作为燃烧室的重要组成部分，其长期服役于高温高压环境中，并且在配气机构作用下做高速循环往复运动，极其恶劣的工作状态很容易发生排气门失效现象。根据相关研究表明，排气门故障率高达整机15%，为了有效防止内燃机因此而停止运作，针对排气门可靠性分析尤为重要。 本文主要研究成果如下： （1）根据某型船用四冲程柴油机额定工况运行参数，依照排气门开启和落座两种不同工作状态对其杆部、颈部和头部不同表面进行受热分区，将周期性燃烧放热过程通过第三类边界条件定义为稳态传热过程。 （2）采用多场耦合模型和等效热阻模型计算排气门热边界条件并进行有限元仿真。将排气门、排气道、气缸盖内壁和气门座圈看作排气门组件系统，利用流固耦合模型计算冷却水和高温燃气下排气门头部对流传热热边界条件，利用等效热阻模型计算排气门导热热边界条件，将数据代入有限元仿真计算得出排气门温度场分布，最高温度669.8℃位于排气门底面中心，第二热点为排气门颈部，温度为645.3℃。 （3）利用材料整体硬度实验，绘制标准曲线验证仿真温度场，结果表明温度误差在10%以内。在热负荷基础上，使用单自由度模型计算得出排气门在配气机构运作时产生的等效落座力435.63N。利用热固耦合仿真计算排气门同时在热负荷和机械负荷作用下的等效应力，仿真结果表明排气门锥面明显产生应力集中现象，最大应力值为214.2MPa。 （4）本文研究材料为NiCr20TiAl高温合金，对其进行不同温度下的拉伸试验得出其物性参数，采用名义定义法对排气门进行疲劳寿命预测，得出排气门内部安全系数，结果表明排气门颈部虽有应力集中但远小于屈服极限，锥面和底面使用寿命较短，在连续不间断交变载荷作用下排气门锥面处寿命为332h。
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