柴油機(jī)氣缸套溫度場(chǎng)的三維有限元分析

1、何屹1，王琦2，田紅英3，朱任杰41.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連2.遼河油田滑油環(huán)保工程公司，遼寧盤(pán)錦3.錦州市環(huán)境工程有限公司，遼寧錦州4.鞍山市環(huán)境檢測(cè)站，遼寧鞍山摘 要：文章首先探討了氣缸套溫度場(chǎng)計(jì)算邊界條件的確定，然后利用ansys軟件建立了缸套的三維有限元模型，并進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬計(jì)算，得到了較為合理的結(jié)果。最后,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析并對(duì)柴油機(jī)氣缸套的合理設(shè)計(jì)作出了一些探討。關(guān)鍵詞：氣缸套，有限元，溫度場(chǎng)0 引言隨著現(xiàn)代柴油機(jī)強(qiáng)化程度、可靠性、耐久性的不斷提高，對(duì)缸套設(shè)計(jì)提出了更高的要求。需要充分考慮剛度、強(qiáng)度、冷卻、潤(rùn)滑、應(yīng)力集中等問(wèn)題。溫度場(chǎng)的分析是研究其它問(wèn)題的基礎(chǔ)，因此

2、有必要首先進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。而利用有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算是目前比較流行、有效的手段，它比實(shí)測(cè)方法有許多優(yōu)點(diǎn)，并且可以得到接近實(shí)際的結(jié)果。溫度場(chǎng)有限元分析的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地確定邊界條件。由于缸套的受熱情況較為復(fù)雜。因此給其邊界條件的確定帶來(lái)很大困難。本文根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和方法，對(duì)邊界條件的確定做了一些探討。1 氣缸內(nèi)放熱系數(shù)及缸套換熱系數(shù)的確定1.1 氣缸內(nèi)放熱系數(shù)的確定缸內(nèi)傳熱過(guò)程極其復(fù)雜,許多機(jī)理至今未能解決。對(duì)于對(duì)流換熱系數(shù)的確定，在文獻(xiàn)1中介紹了很多種計(jì)算公式,本文采用修正的埃肖爾伯格公式：=1.95Cm式 中：Cm活塞平均速度,m/sP缸內(nèi)氣體壓力,barT缸內(nèi)氣體溫度,K PT (W/m2

3、.K)1然后對(duì)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的瞬時(shí)放熱系數(shù)積分即可求得平均放熱系數(shù)。1.2 缸套溫度場(chǎng)計(jì)算邊界條件的確定缸套內(nèi)表面的大部分區(qū)域都要受到燃?xì)獾臎_蝕，在一個(gè)循環(huán)中缸套上部壁面與燃?xì)饨佑|的時(shí)間較長(zhǎng),受燃?xì)庵苯觽鳠岬挠绊懞艽?。位于活塞下止點(diǎn)時(shí)相應(yīng)一環(huán)位置以下的壁面,在整個(gè)工作循環(huán)內(nèi)沒(méi)有受到燃?xì)庵苯觽鳠?。氣缸體內(nèi)表面還接受部分活塞側(cè)面的散熱,同時(shí)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)同氣缸體的摩擦也產(chǎn)生一定的熱量。綜合考慮上述傳熱情況，對(duì)缸體內(nèi)表面穩(wěn)態(tài)傳熱邊界條件在軸向上采用如下分布規(guī)律2m(h)=m(0)(1+K1)eTres=Tres(0)(1+K2)e-1- 3 (1) (2) K1=0.537(S/D)0.24K2=1

4、.45k1m(0)和Tres(0)分別對(duì)應(yīng)柴油機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)燃?xì)獾钠骄鶕Q熱系數(shù)m和平均溫度Tm。根據(jù)式(1)和式(2)可以求得軸向距氣缸頂部h(0hS)范圍內(nèi)各h下的缸內(nèi)溫度和換熱系數(shù)。實(shí)際情況中,由于進(jìn)排氣門(mén)的影響,在同一軸向高度各處的換熱系數(shù)也應(yīng)有所不同,但由于差異較小,因而在本文中忽略了周向差別。冷卻水側(cè)的放熱系數(shù)可按傳熱學(xué)公式計(jì)算,在本例中確定為3000W/(m2.K),冷卻水溫Tw定為363K。缸套與機(jī)架間的換熱系數(shù)取決于材料性質(zhì)和接觸面之間的比壓，因?yàn)槟壳吧腥狈M意的計(jì)算公式,本例按照參考文獻(xiàn)中的經(jīng)驗(yàn)選取。機(jī)架溫度T1可由實(shí)測(cè)或下式?jīng)Q定T1=(1.22.0)Tw4。其他區(qū)域諸如缸

5、套下端離高溫氣體較遠(yuǎn),對(duì)氣缸套熱負(fù)荷影響較小,故將其視為固定溫度。凸肩頂面、缸套下端面,由于面積較小,熱交換弱,作絕熱處理3。2 氣缸套溫度場(chǎng)的ANSYS分析ANSYS是一個(gè)有限元分析通用程序，它主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。以下是本分析的具體過(guò)程。2.1 定義單元類(lèi)型ANSYS單元庫(kù)中有200多種單元,每種單元都有適用范圍。本例選擇第87號(hào)單元,它是10節(jié)點(diǎn)的四面體等參單元,能夠準(zhǔn)確地?cái)M合缸套邊界。2.2 定義材料特性本例中,材料被認(rèn)為是各向同性的,但是有些物性參數(shù)隨溫度而變化（如導(dǎo)熱系數(shù)），須將其作為非線性來(lái)處理,對(duì)隨溫度基本不變或變化不大的材料特性,本例視為常數(shù)

6、。2.3 建立有限元模型本文把缸套作為軸對(duì)稱物體,不考慮邊界條件在圓周方向的差別,即忽略進(jìn)排氣渦流的影響和噴油器的影響。建立1/4模型,并作相應(yīng)的簡(jiǎn)化,這樣既減少了計(jì)算量,又能保證準(zhǔn)確性。在劃分網(wǎng)格時(shí),控制某些地方的單元大小,以便生成的單元能與邊界吻合,并且避免產(chǎn)生畸形單元。2.4 加載和求解影響ansys分析結(jié)果準(zhǔn)確與否的最重要因素是加載的準(zhǔn)確性，本文采用上面計(jì)算得到的邊界條件進(jìn)行加載。并且在內(nèi)表面沿高度方向上將模型劃分為13段，每一段加載相應(yīng)的載荷。在外表面密封處也是按上面的方法進(jìn)行加載的。確定加載準(zhǔn)確后，開(kāi)始求解。-2-3 結(jié)果及分析評(píng)定氣缸套熱負(fù)荷的標(biāo)志是缸套內(nèi)壁溫度和周向溫度分布是否

7、均勻，缸套內(nèi)壁溫度將明顯地影響活塞組的潤(rùn)滑和磨損。缸套內(nèi)壁溫度過(guò)低時(shí)（370K以下），則腐蝕磨損增加，另一方面摩擦功隨溫度下降而增高，因此為了提高機(jī)械效率也應(yīng)保持缸套內(nèi)壁溫度不低于370K。而溫度過(guò)高對(duì)潤(rùn)滑不利，活塞在上止點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)第一環(huán)附近的缸套內(nèi)壁溫度不應(yīng)超過(guò)470K，在更高的溫度下潤(rùn)滑油將在表面發(fā)生炭化。此外，周向溫度應(yīng)盡可能均勻，以免引起不規(guī)則變形，造成局部磨損。3.1缸套整體溫度分布圖1所示的是缸套整體溫度分布云圖從圖中可以很直觀地看出，缸套整體溫度分布是從上到下逐漸降低。并且上部由于熱交換強(qiáng)烈溫差較大，而下面很大一部分溫度相對(duì)均勻。3.2缸套的內(nèi)壁面溫度分布根據(jù)圖2我們可以得出下列結(jié)

8、論： 1）缸套內(nèi)壁面的最高溫度（485）出現(xiàn)在其上部區(qū)域，這是因?yàn)榛钊谏现裹c(diǎn)位置時(shí)，活塞頂上面的區(qū)域直接暴露在燃?xì)庵?，且不處于冷卻水套區(qū)域，因而溫度和對(duì)應(yīng)位置的活塞頂部邊緣溫度接近。2）缸套內(nèi)壁軸向愈向下溫度愈低，活塞在上止點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)于活塞火力岸和環(huán)帶的區(qū)域，溫度變化比較陡，因?yàn)樵搮^(qū)域受燃?xì)庥绊戄^大，燃?xì)饨?jīng)活塞至缸壁傳給冷卻水的熱量，大部分由此傳出。3）對(duì)應(yīng)與活塞裙部和裙部以下的區(qū)域，溫度變化比較平緩，這是由于該區(qū)域處于冷卻水套區(qū)，冷卻比較均勻，而且受燃?xì)庥绊戄^小。處于冷卻水套下部的缸套壁面，由于冷卻條件不夠良好，溫度又略有上升。3.3 缸套的內(nèi)外壁溫度差圖1 缸套的溫度場(chǎng)分布圖2 缸套內(nèi)壁

9、面的溫度分布-3-圖3 缸套頂部?jī)?nèi)外壁溫差曲線圖4 缸套中部?jī)?nèi)外壁溫差曲線由上兩圖可知，缸套頂面的內(nèi)外壁溫差約為11K，而當(dāng)活塞在上止點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的一環(huán)區(qū)內(nèi)外壁溫差約為17K,與有些缸套相比，溫差小一些，因?yàn)楸靖滋妆诤癖容^小，只有1.76毫米，這樣傳熱速率比較快。并且圖3曲線比圖4曲線變化要陡一些。由此可見(jiàn),缸套內(nèi)外壁的溫度由內(nèi)而外逐漸降低,內(nèi)外壁的溫差在缸套上部由于遠(yuǎn)離冷卻水套 ,因而數(shù)值較小,而在缸套下部由于冷卻情況良好,所以內(nèi)外壁溫差較大。從缸套的熱負(fù)荷來(lái)看，如果需要，壁厚是可以增加一些。參考文獻(xiàn)1 陸瑞松,林發(fā)森,張 瑞.內(nèi)燃機(jī)的傳熱與熱負(fù)荷M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985.76-78.

10、2 俞小莉,鄭 飛,嚴(yán)兆大.內(nèi)燃機(jī)氣缸體內(nèi)表面穩(wěn)態(tài)傳熱邊界條件的研究J.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),1987(4):329-332.3 高世義,李東成,陳慶敏,等.缸套瞬態(tài)溫度場(chǎng)的有限元分析J.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),1992(3):256-259.4 葉秀漢.動(dòng)力機(jī)械熱應(yīng)力理論和應(yīng)用M.上海:上海交通大學(xué)出版社,1987.132-148.Finite element analysis of temperature field of the dieselengine cylinderHe Yi1，Wang Qi2，Tian Hongying3，Zhu Renjie41.Dalian Marinetime Universi

11、tym, LiaoNingDaLian2.Oil Field Environment Technology Coporation, LiaoNing PanJin3.Jinzhou Environment Technology Limited Coporation, LiaoNing JinZhou4Anshan Environment Detect Station, LiaoNing AnShan)AbstractThe article inquiries into a calculation of cylinder boundary condition firstly, then makes use of the Ansys to build up a model of the cylinder, and simulate the temperature field, getting t