內(nèi)燃機(jī)活塞溫度場(chǎng)分析_溫劍武

1、2012年第2期內(nèi)燃機(jī)與配件內(nèi)燃機(jī)活塞溫度場(chǎng)分析Temperature Field Analysis of Combustion Engine Piston溫劍武董小瑞王曉輝王強(qiáng)(中北大學(xué)摘要建立了二分之一活塞模型,應(yīng)用HyperMesh軟件對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分,計(jì)算了活塞的溫度場(chǎng),為活塞的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞活塞HyperMesh溫度場(chǎng)Key words:Piston HyperMesh Temperature field1概述內(nèi)燃機(jī)在工作過(guò)程中,活塞不僅承受著周期性的機(jī)械負(fù)荷,還承受著高溫的熱負(fù)荷?，F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)不斷向強(qiáng)化、增壓、高升功率等方向發(fā)展,而伴隨著內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的增

2、大,必然導(dǎo)致活塞熱負(fù)荷的增加?；钊鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件,能否解決熱負(fù)荷問(wèn)題是提高整機(jī)技術(shù)水平的關(guān)鍵,直接影響內(nèi)燃機(jī)的工作可靠性和耐久性。而確定活塞溫度場(chǎng)分布是解決所有計(jì)算活塞熱負(fù)荷問(wèn)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(gè)組合式的活塞,通過(guò)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(gè)特點(diǎn):(1本文所用活塞模型冷卻方式為冷卻腔和震蕩冷卻的復(fù)合冷卻方式。(2活塞的冷卻油腔是重要的冷卻通道,建模時(shí)需要認(rèn)真分析,如實(shí)建模。(3由于本身活塞的形狀是很復(fù)雜的,在不影響分析準(zhǔn)確度的前提下,對(duì)活塞建模進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化,如倒角和倒圓等。(

3、4由于建立的活塞模型是一個(gè)對(duì)稱體,考慮到計(jì)算的效率問(wèn)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(yīng)用最廣泛的前處理軟件,它主要用于汽車(chē)行業(yè),已經(jīng)成為全球汽車(chē)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)配置。本文應(yīng)用HyperMesh軟件對(duì)模型進(jìn)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(shí)候會(huì)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(shí)候就不會(huì)再生成節(jié)點(diǎn)2。圖1活塞模型

4、一般來(lái)說(shuō),將有限元單元?jiǎng)澐值脑叫?計(jì)算精度就會(huì)越高,但是單元數(shù)量會(huì)受限于計(jì)算機(jī)資源3。所以網(wǎng)格的劃分既要保證計(jì)算的精度,又不能耗費(fèi)過(guò)多的計(jì)算時(shí)間。但是為了保證計(jì)算精度,需要在活塞形狀復(fù)雜和溫度變化劇烈的地方對(duì)網(wǎng)格進(jìn)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(shí)對(duì)活塞的頭部的網(wǎng)格進(jìn)行了加密。共產(chǎn)生了18760個(gè)節(jié)點(diǎn),10849個(gè)單元。圖2為模型的有限元網(wǎng)格圖。4活塞溫度場(chǎng)計(jì)算4.1活塞傳熱邊界條件的確定取得一個(gè)符合實(shí)際工況的熱邊界條件,是進(jìn)行活塞溫度場(chǎng)計(jì)算的關(guān)鍵,它決定了結(jié)果的正確與4否。經(jīng)過(guò)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(yàn)及半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。圖2活塞有限元網(wǎng)格模

5、型活塞與燃?xì)獾臒峤粨Q是一個(gè)瞬態(tài)的過(guò)程,瞬時(shí)換熱系數(shù)采用經(jīng)典的G.Eichelberg 公式進(jìn)行計(jì)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(gè)常數(shù),C m 表示活塞的平均速度,P g 表示燃?xì)獾乃矔r(shí)壓力,T g 是燃?xì)馑矔r(shí)溫度。在一個(gè)循環(huán)中,燃?xì)鈱?duì)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?xì)馄骄鶞囟葹?T gm =1720360°-360°乙gd 。燃?xì)鉄崃坑苫钊敳课?經(jīng)過(guò)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(yàn)數(shù)據(jù)綜合的經(jīng)驗(yàn)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(lái)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(dǎo)熱系數(shù)和活塞頂厚度4,5。4.2活塞溫度場(chǎng)的計(jì)算由于在實(shí)際工況下,活塞的溫度波動(dòng)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(dǎo)入ANSYS 軟件中,經(jīng)過(guò)分析計(jì)算,可以得到如下的活塞溫度場(chǎng)分布圖

7、:圖3活塞溫度場(chǎng)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(tái)上,溫度由頂部向裙部逐漸降低。整個(gè)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(yīng)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(dǎo)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(xiàn)2馬迅,趙剛.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的熱結(jié)構(gòu)耦合分析J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005,(11:124-1263樓狄明,張志穎,王禮麗.機(jī)車(chē)柴油機(jī)組合活塞的換熱邊界條件及熱負(fù)荷J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,33(5:6-84邵建旺,杜愛(ài)民,田永祥.汽油機(jī)活塞的熱應(yīng)力分析.J.科技信