內(nèi)燃機活塞溫度場分析_溫劍武

1、2012年第2期內(nèi)燃機與配件內(nèi)燃機活塞溫度場分析Temperature Field Analysis of Combustion Engine Piston溫劍武董小瑞王曉輝王強(中北大學摘要建立了二分之一活塞模型,應用HyperMesh軟件對模型進行了網(wǎng)格劃分,計算了活塞的溫度場,為活塞的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞活塞HyperMesh溫度場Key words:Piston HyperMesh Temperature field1概述內(nèi)燃機在工作過程中,活塞不僅承受著周期性的機械負荷,還承受著高溫的熱負荷。現(xiàn)代內(nèi)燃機不斷向強化、增壓、高升功率等方向發(fā)展,而伴隨著內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速和功率的增

2、大,必然導致活塞熱負荷的增加?；钊鳛榘l(fā)動機的關(guān)鍵部件,能否解決熱負荷問題是提高整機技術(shù)水平的關(guān)鍵,直接影響內(nèi)燃機的工作可靠性和耐久性。而確定活塞溫度場分布是解決所有計算活塞熱負荷問題的基礎(chǔ)工作1。2活塞模型的建立本文所分析的活塞是一個組合式的活塞,通過螺栓將活塞頭和活塞體緊固在一起。燃燒室為凹坑形狀,位于活塞頂部的中央。本文所采用的活塞模型有如下幾個特點:(1本文所用活塞模型冷卻方式為冷卻腔和震蕩冷卻的復合冷卻方式。(2活塞的冷卻油腔是重要的冷卻通道,建模時需要認真分析,如實建模。(3由于本身活塞的形狀是很復雜的,在不影響分析準確度的前提下,對活塞建模進行了一定程度的簡化,如倒角和倒圓等。(

3、4由于建立的活塞模型是一個對稱體,考慮到計算的效率問題,本文建立了二分之一的模型。所建立的模型如圖1所示。3有限元網(wǎng)格的劃分HyperMesh是目前應用最廣泛的前處理軟件,它主要用于汽車行業(yè),已經(jīng)成為全球汽車行業(yè)的標準配置。本文應用HyperMesh軟件對模型進行網(wǎng)格的劃分,第一步工作是幾何清理。由于距離非常近的曲線或尺寸非常小的曲線在劃分有限元網(wǎng)格的時候會在局部生成尺寸非常小的網(wǎng)格或照成網(wǎng)格尺寸變化劇烈,影響網(wǎng)格質(zhì)量。為此可以利用Hy-perMesh的曲線或邊的抑制功能,將距離非常近的曲線中的一條和尺寸非常小的曲線抑制掉。被抑制的曲線或邊在劃分有限元網(wǎng)格的時候就不會再生成節(jié)點2。圖1活塞模型

4、一般來說,將有限元單元劃分的越小,計算精度就會越高,但是單元數(shù)量會受限于計算機資源3。所以網(wǎng)格的劃分既要保證計算的精度,又不能耗費過多的計算時間。但是為了保證計算精度,需要在活塞形狀復雜和溫度變化劇烈的地方對網(wǎng)格進行加密?；钊^部的溫度梯度是最大的,所以本文在劃分網(wǎng)格時對活塞的頭部的網(wǎng)格進行了加密。共產(chǎn)生了18760個節(jié)點,10849個單元。圖2為模型的有限元網(wǎng)格圖。4活塞溫度場計算4.1活塞傳熱邊界條件的確定取得一個符合實際工況的熱邊界條件,是進行活塞溫度場計算的關(guān)鍵,它決定了結(jié)果的正確與4否。經(jīng)過參考大量相關(guān)資料,本文采用第三類邊界條件和相關(guān)的經(jīng)驗及半經(jīng)驗公式進行計算。圖2活塞有限元網(wǎng)格模

5、型活塞與燃氣的熱交換是一個瞬態(tài)的過程,瞬時換熱系數(shù)采用經(jīng)典的G.Eichelberg 公式進行計算:g =K 0C m 3姨×P g T g 姨。公式中K 0表示修正系數(shù),它的值是一個常數(shù),C m 表示活塞的平均速度,P g 表示燃氣的瞬時壓力,T g 是燃氣瞬時溫度。在一個循環(huán)中,燃氣對活塞頂部的平均放熱系數(shù)可以用積分平均值求得:gm =1720360°-360°乙g d ,燃氣平均溫度為:T gm =1720360°-360°乙gd 。燃氣熱量由活塞頂部吸收,經(jīng)過活塞環(huán)、油膜、氣膜、缸壁傳向冷卻液。求解公式為:墜=(a 1+b 2+c 3+

6、1w本文采用的活塞模型是震蕩冷卻油腔,一般采用由管流試驗數(shù)據(jù)綜合的經(jīng)驗公式:N uf =0.495R 0.57ef D*0.24P 0.29rf ,D*=D b活塞內(nèi)腔的換熱系數(shù)由公式h oi =(T 1-T 2k (T 1-T oi 來確定,T 1,T 2,T oi ,分別是活塞溫度、活塞內(nèi)腔底部溫度和曲軸箱氣體溫度,k 和表示的是活塞的導熱系數(shù)和活塞頂厚度4,5。4.2活塞溫度場的計算由于在實際工況下,活塞的溫度波動僅在表面2mm 以內(nèi)起作用,而在2mm 以下,溫度基本就是穩(wěn)定的。所以,活塞的傳熱分析可以按穩(wěn)態(tài)處理。將模型導入ANSYS 軟件中,經(jīng)過分析計算,可以得到如下的活塞溫度場分布圖

7、:圖3活塞溫度場分布圖從圖3可以看出,溫度最高的部位在活塞頂部和燃燒室內(nèi)側(cè)的凸臺上,溫度由頂部向裙部逐漸降低。整個活塞燃燒室的溫度還是較高的,由于有冷卻腔和震蕩油腔的作用,活塞環(huán)槽冷卻效果較好。5小結(jié)(1活塞的最高溫度在活塞頂面燃燒室的邊緣位置,所以要在燃燒室的邊緣位置要有合適的倒角,以防止熱應力集中和燒蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。(2有冷卻腔和震蕩油腔的活塞冷卻效果更佳。(3組合式活塞由于可以采用頂部導熱系數(shù)小,而裙部和內(nèi)腔系數(shù)大的的材料可以有效的降低活塞的溫度。參考文獻2馬迅,趙剛.發(fā)動機活塞的熱結(jié)構(gòu)耦合分析J.機械設(shè)計與制造,2005,(11:124-1263樓狄明,張志穎,王禮麗.機車柴油機組合活塞的換熱邊界條件及熱負荷J.同濟大學學報,2005,33(5:6-84邵建旺,杜愛民,田永祥.汽油機活塞的熱應力分析.J.科技信