激光热负荷研究的关键在于简易、可控、高效、准确地模拟实际工况下零部件表面所承受的热负荷温度场分布,为此采用一种非对称非均匀分布整形光束作为热源加载气缸盖表面,数值模拟的温度场分布与实际工况下一致,并进行气缸盖不同功率下的高周和低周热负荷试验.试验结果表明,采用温度控制和时间控制模式可以有效进行高低周热负荷试验,此结果可为后期疲劳分析奠定基础.

建立了活塞激光热负荷数值模拟模型,研究了不同冷却介质对活塞热负荷的影响。结果表明,激光卸载过程活塞顶和通油孔通气冷却,温度波动发生在活塞顶薄层区域,与活塞在实际稳定工况下的温度响应一致;激光卸载过程活塞内腔和通油孔通气或通油孔通水冷却,温度波动区域都不能反应在实际稳定工况下的状态。低周热疲劳采用激光卸载过程配合活塞顶通气、活塞内腔和通油孔通水能缩短试验周期、加速活塞的热疲劳损伤。数值模拟与试验结果基本吻合,验证了模型的有效性。

活塞激光热负荷, 就是利用二元光学转光片(DOE)改变激光在空间的能量分配, 使用电脑控制激光在时间域上的分布, 从而使活塞实现特定的温度分布和波动。二元光学转光片的设计、加工需要知道各区域激光能量分配比例。为此提出了基于有限元优化的激光热负荷试验光强分布设计思想, 建立了光强优化分布模型。模拟结果表明, 二元光学转光片激光辐照区域的3个环(从中心往外)的功率比例为:0.03∶0.01∶9.96,能使活塞的温度分布与设计要求的目标温度一致, 并能模拟活塞的高周、低周疲劳。

激光活塞热负荷模拟实验需将高斯光束调制成按特定光强分布的多个同心光环,为此提出了基于有限元(FE)分析的激光热负荷光强分布反求设计思想。应用最初设计的整形器对有限元模型进行校核,在合理的范围内调整边界条件参数和活塞材料热物性参数,使模拟结果与实验结果吻合;对于校核后的有限元模型,通过调整光强分布和加载条件以接近目标温度场,从而获得整形器优化设计方案。基于上述方法可实现由目标温度场反求设计出光场分布。研究表明,采用数值模拟方法进行研究,可大幅度缩短整形器设计周期、降低设计费用,并起到虚拟实验的作用,从而提高了热负荷实验的可控性和可预见性。

活塞的热疲劳性能对柴油发动机的全寿命至关重要。由于能量有限和可控性差等缺点,现有实验系统均不能满意地进行活塞热负荷模拟实验。为此,提出并建立了一套激光诱发活塞热负荷的实验系统。该系统通过对激光束的空间整形,使之投射到活塞表面后诱发的温度场分布满足特定要求。基于PROFIBUS-DP现场总线技术实现了系统集成和实验过程的全反馈控制。针对活塞的典型热负荷条件,即高周热疲劳和热冲击分别进行实验,以模拟正常工作循环和“启动-停车”等热负荷或转速突变工况。通过设置加热-冷却周期或上限-下限温度,可以获得相应的热负荷模拟实验效果。研究结果表明,采用经光束整形的激光进行活塞热负荷模拟实验具有周期短、可控性好等优点。