（动力工程及工程热物理专业论文）发动机耦合数值分析.pdf

上海交通人学博十后研究：【：作报告 摘要 随着不可再生能源的日益枯竭以及环保法规的同益严格，对发动机的综合性 能提出了更高的要求，需要通过直喷、增压中冷、低热损等技术提高发动机强化 程度，上述新技术的采用导致发动机热负荷和机械负荷的增加，这些对发动机结 构耐久性提出了更高的要求。因此，必须建立一个能够模拟发动机苛刻运行条件， 并能准备评价发动机结构耐久性的数值方法体系。 此前，由于无法获取发动机准确的传热边界条件和建立各个部件之间准确的 连接关系，主要通过单个部件的温度场和应力场分析对结构耐久性进行简单评 价。这种评价方法有一定的局限性，很难进行定量分析。因此，必须通过大量的 测试试验完成结构耐久性的定量分析，这种分析周期长、费用高、风险大。 通过发动机整机耦合数值分析可以解决上述问题。随着发动机性能、流体、 结构分析技术的发展和试验数据库信息的增加，各单一分析技术得到了快速发 展；缩短发动机开发周期和降低开发成本的巨大压力为整机耦合模拟技术提供了 技术需求；结构分析技术领域出现了许多可以模拟特殊部件的单元类型，同时非 线性分析技术也得到了发展。这些基础性的开发工作为发动机整机耦合数值分析 打下了坚实的基础。 文中，通过热力学分析方法得到发动机缸内的爆发压力；通过流体分析技术 得到发动机冷却水套、燃烧室、油道、迸排气道的传热边界条件，并将这些边界 条件映射到结构表面的壳单元上；通过不同的约束方式和接触关系建立零部件之 间非线性的联系关系，从而搭建发动机整机有限元分析模型；通过考虑发动机冷 态、热态、爆发压力等多种工况模拟发动机的实际运行情况：最后，计算出发动 机在上述各种工况下的温度场、变形、应力、密封压力、疲劳，并对各类计算结 果进行了评价分析。 采用该方法体系进行了多款发动机的计算分析工作，根据计算结果对发动机 冷却系统和结构进行了优化，发动机在试验开发阶段没有出现结构强度耐久性问 题。该方法体系的建立，为保证发动机设计成功并缩短发动机开发周期并降低开 发成本起到了重要作用。 关键词：发动机；耦合数值分析；计算流体力学；有限元 上海交通人学博士后研究t 作报告 a b s t r a c t t h ee n t i r ep e r f o r m a n c eo ft h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n em u s tb ei m p r o v e d b e c a u s eo ft h ed r a i n i n ge n e r g ys o u r c e sa n dr i g o r o u sl a wo fe n v i r o n m e n tc o n s e r v a n c y i ti s n e c e s s a r yt ou s et h eg a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ，t u r b o c h a r g e di n t e r - c o o l e d ， l o w - h e a t - r e j e c t i o na n ds oo nt oi n c r e a s et h es p e c i f i cp o w e ro u t p u t t h ea p p l i c a t i o no f t h ea b o v em e n t i o n e dt e c h n o l o g i e sr e s u l t si nt h ei n c r e a s eo ft h et h e r m a la n d m e c h a n i c a ll o a d s t h e s ei n c r e a s et h er e q u i r e m e n tf o rt h ee n g i n ed u r a b i l i t y s ot h e n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o ds y s t e mm u s tb ee s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h er i g o r o u s o p e r a t i o nc o n d i t i o na n de v a l u a t et h es t r u c t u r a ld u r a b i l i t yf o rt h ee n g i n e t h et e m p e r a t u r ef i e l df r o ms i n g l ec o m p o n e n ta n a l y s i sh a sb e e nu s e dt oe v a l u a t e t h ee n n n ed u r a b i l i t yb e c a u s et h ea c c u r a t eh e a tt r a n s f e rb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n d c o n n e c t i n gr e l a t i o na m o n gt h ee n g i n ep a r t sc a nn o tb eg m n e da n de s t a b l i s h e d t h e r e a r es o m el i m i t sf o rt h i sm e t h o d ，a n di ti sv e r yd i f f i c u l tt op e r f o r mt h eq u a n t i f i c a t i o n a l a n a l y s i sw h i c hh a st ob ec a r r i e do u tb ye x p e r i m e n t s i ti sal o n gp e r i o d ，h i f g hc o s ta n d r i s km e t h o d t h ea b o v em e n t i o n e dp r o b l e m sc a nb es o l v e dt h r o u g ht h ec o u p l i n gn u m e r i c a l a n a l y s i so ft h ee n t i r ee n g i n e w i t ht h ed e v e l o p m e n tf o rt h ea n a l y s i st e c h n o l o g i e so f t h ee n g i n ep e r f o r m a n c e ，f l u i da n ds t r u c t u r ea n dt h ei n c r e a s eo ft h et e s ti n f o r m a t i o n , m a n yp r o g r e s s e sh a v eb e e nm a d ef o re a c hs i n g l et e c h n o l o g y t h el a r g er e q u i r e m e n t f o rt h ec o u p l i n gn u m e r i c a la n a l y s i so ft h ee n t i r ee n g i n eh a sb e e np r o v i d e du n d e rt h e h i g hp r e s s u r eo ft h er e d u c t i o no ft h ed e v e l o p i n gp e r i o da n dc o s t s o m ee l e m e n tt y p e s w h i c hc a nb eu s e dt os i m u l a t es p e c i a lp a r t sh a v ea p p e a r e di nt h es t r u c t u r a la n a l y s i s f i e l d ，a tt h es a m et i m et h el a r g ep r o g r e s sh a sb e e nm a d ef o rt h en o n l i n e a rn u m e r i c a l a n a l y s i s t h e s eb a s i cd e v e l o p m e n tw o r k sb e c o m eag o o df o u n d a t i o nf o rt h ec o u p l i n g n u m e r i c a la n a l y s i so ft h ee n t i r ee n g i n e i nt h ep a p e r , t h eh i g hc y c l ep r e s s u r ei nt h ec y l i n d e rh a sb e e no b t a i n e dt h r o u g h t h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s ；t h eh e a t t r a n s f e rb o u n d a r yc o n d i t i o n so ft h ec o o l i n g j a c k e t ，c o m b u s t i o nc h a m b e r o i lp i p e ，i n t a k ea n de x h a u s tp o r th a sb e e nc a l c u l a t e d t h r o u g hc f da n a l y s i s ，a n dt h eh e a tt r a n s f e rb o u n d a r yc o n d i t i o n sh a sb e e nm a p p e do n t h es h e l le l e m e n to ft h es t r u c t u r e t h en o n l i n e a rc o n n e c t i n gr e l a t i o n sa m o n gt h ep a r t s h a sb e e ne s t a b l i s h e dt h r o u g hd i f f e r e n tc o n s t r a i n tm o d e sa n dc o n t a c tr e l a t i o n s ，a n da t l a s tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ee n t i r ee n g i n eh a sb e e ne s t a b l i s h e db yu s i n gt h e l i 上海交通人学博士后研究丁作报告 f o r m e rm o d e l s ；t h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o nh a sb e e ns i m u l a t e dt h r o u g hc o n s i d e r i n g t h el o a dc a s e so fc o l d ，h e a ta n d f i r i n gp e a kp r e s s u r ec o n d i t i o n ；f i n a l l yt h et e m p e r a t u r e ， s t r e s s ，d e f o r m a t i o n ，s e a l i n gp r e s s u r ea n df a t i g u ef i e l dh a sb e e nc o m p u t e du n d e rt h e a b o v em e n t i o n e dl o a dc a s e s ，a n da l lk i n d so ft h er e s u l t sh a v e b e e ne v a l u a t e d s e v e r a le n g i n e sh a v eb e e nd e v e l o p e db yu s i n gt h ea b o v em e n t i o n e dm e t h o d s y s t e m t h ec o o l i n gs y s t e ma n ds t r u c t u r eh a v eb e e no p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h e c a l c u l a t e dr e s u l t s n od u r a b i l i t ym a l f u n c t i o n sh a p p e n e dd u r i n gt h ee x p e r i m e n t d e v e l o p m e n tp h a s e i ti si m p o r t a n tm e t h o ds y s t e me s t a b l i s h e d t or e d u c et h e d e v e l o p m e n tp e r i o da n d c o s t k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；c o u p l i n gn u m e r i c a la n a l y s i s ；c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； i i i 上海交通大学博士后研究工作报告 第一章绪论 本章主要说明发动机耦合数值分析课题的来源及意义。在大量阅读国内 外相关文献的基础上，综述了国内外在发动机零部件及整机系统热负荷及机械负 荷数值模拟方面的研究历史及现状，指出了各种研究方法中存在的不足之处，同 时，简要地介绍了该研究领域未来发展的趋势。在最后，简要介绍了本课题研究 的基本方法、主要内容及一些关键技术。 1 1 课题背景及意义 发动机将燃料燃烧释放出的热能转化为驱动热机的机械能。自n i c h o l a so t t o 于1 8 7 6 年研制成功第一台四冲程火花点火式发动机以来，至今已有1 2 7 年的历 史，在这期间，发动机经过不断的改进和发展，已经成为了热效率最高、功率密 度大、工作可靠、集成了现代高科技的产品。虽然发动机排气中的有害物质以及 噪声会严重污染环境，并危及人类的身体健康，但是，到目前为止，发动机仍然 一直是最重要的动力源。因此，发动机的研究是一个关系到人类资源可持续性利 用、环境保护以及健康生存的重要课题。提高燃油经济性、降低排放和噪声以及 降低发动机设计制造成本是发动机研究领域中最具挑战性的研究内容，但是，不 管是发动机结构分析领域还是性能分析领域，都与发动机传热及热负荷、机械负 荷存在重要的关系，特别是发动机燃烧室零件的传热以及热负荷，是发动机开发 成败的关键之一。 发动机的传热过程基本上包括以下四个方面的内容：工质与燃烧室燃气侧壁 面之间的对流和辐射换热；零件之间的传热过程；冷却水套、油道等冷却介质与 壁面之间的对流换热。在结构分析中，主要包括三方面的内容：零部件之间连接 关系的确定；合适的约束及几何非线性特性材料参数的获取。本课题将集中研究 发动机在运行状态下的机械及热负荷情况。 发动机耦合数值分析在发动机研发中具有极其重要的地位： 首先，发动机零部件的温度场、变形及密封影响到燃烧室零件的热强度以及 发动机的润滑和磨损。燃烧室零件温度过高，将发生燃烧室零件的烧蚀、高温蠕 变、高温腐蚀、材料硬度和强度的急剧下降、润滑油膜的破坏甚至结胶，磨损的 加剧等问题，从而导致发动机丧失工作能力；在零件温度梯度过大的地方，热负 荷所产生的热应力同机械应力叠加，是导致燃烧室零件失效的重要原因；系统燃 气侧表面承受剧烈的热冲击，在燃气侧表面温度变化剧烈的区域，产生明显高于 静态热应力的动态热应力( 或准静态热应力) ，该应力的尖峰值巨大，远远超出 上海交通大学博士后研究工作报告 了材料的屈服极限，虽然动态热应力作用时间极短( 承受热冲击之后在极短的时 间内衰减为静态热应力) ，但该应力的反复作用可能会导致燃烧室零件的损伤。 其次，发动机整机的传热情况还将影响到发动机的整机性能：加强发动机的 冷却，会导致燃烧室壁面温度下降过多，从而造成燃烧不良，引起发动机性能恶 化，导致发动机出功率不足、耗油率增大、发动机排放不良以及增加发动机的传 热损失等问题；减少传热将提高零件燃气侧壁面温度，降低发动机的充气效率等； 另外，过高的零件表面温度可能导致早燃( 在火花点火式发动机中) ，造成暴震 等，从而使得发动机燃烧性能恶化。 在发动机研发中，进行发动机耦合数值分析的主要目的是：分析发动机汽缸 垫的密封特性；分析发动机零部件件的温度场；分析发动机在各种工况下的热疲 劳情况；分析发动机整体和发动机汽缸套的变形情况。最后，对整个发动机结构 设计方案进行评估，并提出结构改进意见和方向。 发动机耦合数值分析是在奇瑞汽车有限公司汽油机开发阶段进行的工程 分析基础上建立起的系统分析方法。该方法是基于发动机设计技术及计算机技术 的发展，在传热及结构研究领域进行的发动机全仿真研究。该方法利用当前广泛 使用的商业软件，通过经验和工程数据库，建立了从复杂边界条件、复杂组合结 构模型到分析评价的详细分析体系。 1 2 发动机耦合数值分析研究概况n 5 们 上世纪，由于在绝热发动机的研究中急需发展更加精确的测量传感装置和传 热模拟模型( 陶瓷材料的传热和强度研究、陶瓷材料与金属基材料之间的性能研 究需要精确的传热分析模型) ，推动了发动机传热全仿真模拟研究的发展。m o r e l t 和e d w a r df f o r t 等( 1 9 8 5 ) 率先采用发动机传热全仿真模型分析了几种发动 机绝热方案，分析中将热力学循环程序( 考虑了气体流速和湍流强度等) 与燃烧 室零件固体传热程序直接耦合起来研究了发动机在几种绝热方案和绝热材料下， 发动机性能以及零件系统的温度场分布。在燃烧室零件系统中考虑到了活塞组、 润滑油膜、气缸套以及气缸盖，通过热阻网络模型建立起了活塞组一润滑油膜一 气缸套气缸盖二维循环瞬态传热分析模型，分析结果表明了发动机传热全仿真 以及燃烧室耦合零件系统循环瞬态传热研究的重要性。1 9 8 7 年，k e r i b a rr 和 m o r e lt 采用上面的模型分析了活塞的二维热冲击问题。a s s a n i sd n ( 1 9 8 7 ) 采用一维差分法和二维有限元法分析了陶瓷活塞顶面薄层的瞬态温度波动，分析 结果表明，活塞顶面超过4 0 0 k 的循环温度波动是造成活塞项面陶瓷层失效的主 要原因。第二年，a s s a n i sd n 开发了燃烧室零件系统二维有限元分析程序，零件 系统模型包括活塞、活塞环、润滑油膜和气缸套。由于考虑到润滑油膜很薄，因 2 上海交通大学博士后研究工作报告 此，假设润滑油膜在传热系统中只有导热作用( 模型中没有考虑活塞组与气缸套 之间的摩擦热) 。同时期，w o s c h n ig k o u r e m e n o s ，d a 和r a k o p o u l o s ，c d 也采 用有限元法进行了发动机活塞组一润滑油膜气缸套系统的循环瞬态传热研究。 国外早期的燃烧室零件系统循环瞬态传热研究中，不管是热阻网络模型还是数值 分析模型，所建立的模型都是二维的，并且在研究中，研究者发表的论文中并没 有详细论述系统传热数学模型的建立过程，但是，早期零件系统循环瞬态模拟结 果都得到了实验的验证，证明了模拟方法的有效性。1 9 9 9 年，y o n gl i u 等采用 s a u l y e v 显式、无条件数值稳定差分方法，计算了i s u z u 绝热柴油机零件系统的 循环瞬态传热过程，分析模型中考虑到了活塞组、润滑油膜、气缸套、气缸垫以 及气缸盖，这个分析模型是迄今为止国际上最新的有关燃烧室耦合零件系统循环 瞬态传热分析的研究，在研究中进行了相关的温度测试实验，模拟结果与实验结 果非常吻合。但是，该模型仍然是二维的，u 并且，由于将润滑油膜也进行了网格 离散，从而造成了二维建模的困难性。 国内，研究者也进行了大量的发动机燃烧室零件系统循环瞬态传热研究。陈 国华等( 1 9 8 7 ) 发展了燃烧室耦合零件系统二维循环瞬态传热模型，在该传热模 型中，考虑到了燃烧室中移动活塞组一润滑油膜气缸套之间的传热联系。传热 模型中，采用将润滑油膜与活塞组和气缸套一起进行有限元离散从而生成整体离 散模型的方法建立了系统有限元的轴对称模型。白敏丽等( 1 9 9 4 ) 采用与陈国华 相同的方法研究了6 1 3 5 柴油机燃烧室耦合零件系统循环瞬态传热过程。由于在 现代发动机的设计中，活塞组与气缸套润滑油膜的厚度都在微米级，而活塞组与 气缸套的尺寸一般在毫米级，因此，上述方法的采用会造成有限元模型刚度矩阵 的奇异性，从而很难求解出系统的温度分布。由于有限元方法离散润滑油膜的典 型缺陷，在国内，热阻模型被用于系统传热过程的分析中，在分析模型中，对润 滑油膜不进行有限元离散，而将其假设成为一维热阻。白敏丽等( 2 0 0 0 ) 采用热 阻模型建立了发动机燃烧室二维耦合零件系统循环瞬态以及过渡工况传热模型， 分析得到了发动机燃烧室燃气侧壁面的循环瞬态温度波以及在过渡工况下零件 系统的温度变化情况。2 0 0 3 年，杨万里在前面研究的基础上建立了完整的发动 机燃烧室三维零件系统的热负荷分析模型，对发动机稳态和瞬态温度场进行了预 测分析。 此外，国外很多研究机构，如a v l 、f e v 、r i c a r d o 等，一直在寻求准 确预测发动机进排气歧管、缸体缸盖、发动机舱等温度场分布的方法。希望采 用流固耦合方法，解决发动机复杂的流固传热边界条件问题。由于分析模型的 复杂性，国内在这方面的研究还比较滞后，结构及c f d 分析中的传热边界条 件大多通过实验获取，仅能对实机和实车进行温度场模拟分析。 上海交通大学博士后研究工作报告 从前面的论述可以看出，燃烧室耦合零件系统的传热分析模型仅是发动机 传热全仿真分析模型的一个重要的组成部分。上述分析过程需要建立复杂的数 值分析模型，并需要对模型进行大量的简化，计算结果也仅仅局限在燃烧室零 部件上，不能考虑发动机运行过程复杂的边界条件和复杂的工况，这种方法还 不能被用来快速解决实际的工程技术问题。当前，发动机耦合数值分析的研究 过程都基于实际的发动机开发过程，建立复杂的非线性接触模型，通过复杂的 燃烧模拟和c f d 分析求解复杂的边界条件，此外，计算过程考虑到了发动机 运行的实际工况。 1 3 发动机耦合分析的技术难点 1 3 1 准确边界条件的获取 发动机是一个复杂的热力系统，通过冷却水对流、空气对流、润滑油流动、 燃烧室内的对流传热与外部发生能量交换。通过模拟计算、试验对比和经验数据 为整机分析提供热边界条件。 1 3 2 整机复杂数值分析模型的建立 发动机整机耦合分析模型包括了很多零部件，这些零部件之间存在下列关 系：过盈配合( 气门座圈与缸盖、气门导管与缸盖等) 、接触( 缸盖与缸垫、气 阀与阀座等) 。此外，汽缸垫为高度非线性材料。因此，整机耦合分析是一个典 型的非线性问题，包括材料非线性和接触非线性等。 1 3 3 计算工况考虑 发动机的实际运行工况非常复杂，因此，实际计算时所选择的工况应具有代 表意义。包括发动机热态和冷态、发动机爆发压力、发动机装配等等，最终确定 的工况组合将能够代表整个发动机的实际运行情况。 1 3 4 计算结果评价 计算结果评价包括：变形、温度、热应力、疲劳、密封等，计算结果的评价 是一项非常复杂的工作，理论上可以保证分析边界条件和模型的正确性，但是， 真正的评价指标需要通过大量的试验来得到。 本文将围绕上述四个技术难题展开，论述发动机整机耦合分析的解决过程。 1 4 选题的目的 发动机整机耦合数值分析是在课题1 5 l 缸内直喷汽油机开发的研 究基础上引申发展而来的，在该汽油机的强化研究中，整机在各种接近真实工况 下的温度场、变形、应力场、密封及疲劳是课题的一个重要研究内容，分析结果 4 上海交通大学博士后研究工作报告 将决定各种强化方案的合理性和可行性。分析的目的主要有三点：评估1 5 l 缸 内直喷汽油机的结构方案( 温度场、变形、应力场、密封及疲劳等) ：建立一个 较完备的发动机传热全仿真研究过程；发动机耦合数值分析是发动机虚拟设计的 基础性研究工作之一，在未来的研究中，将基于上述的研究基础开始发动机虚拟 设计的研究工作。 1 5 本文的主要工作 本文完成了下述4 个方面的工作：第2 章论述了发动机整机有限元模型的建 立过程；第3 章论述了整机耦合分析边界条件的计算过程；第4 章论述了整机耦 合分析的计算过程和计算结果分析；第5 章对全文工作进行了总结，提出了发动 机耦合分析研究课题的展望。 5 上海交通大学博士后研究工作报告 第二章发动机耦合分析模型 2 1 零部件之间的连接关系 建立整机有限元模型时，主要通过接触对、t i e 及m p c 三种形式模拟零件 之间的相互作用，各种物理作用必须得到准确的模拟。 采用三维小滑移弹性接触模型模拟弹性接触问题，假设与从节点m + 。对应的 主接触参数平面为： 尸( 专，参) = x 。+ 专v + 参v 。 ( 2 1 ) 其中，考定义参数平面，z 为从节点。在主接触面上的靶点，v 和y ：为过点p 的平面切向量。 对于与主接触面接触的从节点，定义穿透量办和相对滑移量s ，计算从点z + ， 与主接触面p ( 考，戋) 之间的距离办： h n = p ( 专，幺) 一一 ( 2 2 ) 其中，刀为接触法向量，式( 2 ) 满足下列关系： 一( 尸( 六，戋) 一置+ ) = o 【v 2 ( p ( 专，皇) 一置。) = 0 ( 2 3 ) 当办 11 0 6 的湍流区域，换热系数为： 址茜 垂品p 胁2 茜 南 l k 、。7 j ( 2 - l o ) x - - ( 2 1 0 ) 中，k 为卡门常数：e 为常数：p 为函数项；y + 为无量刚距离函数： 1 ，+ = ：竺：! 式( 2 - 1 1 ) 中，成为冷却液密度。 内燃机固体结构的传热为稳态导热问题， 源，其控制方程为： 窘+ 窑o y + 窘= 。 苏2 。2 瑟2 。 7 ( 2 1 1 ) 一般假设零件为常物性并无内热 ( 2 - 1 2 ) 上海交通大学博十后研究工作报告 式( 2 1 2 ) 中，t 为温度，小y 、# 为简卡尔坐标分量。稳惑温度场导热控制方程满 足三类边界条件( 温度、热流及对流边界条件) 。 部件接触表面之间的传热关系可表示为： g 。= k ( 只一目) ( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 中，q 。为通过接触从而a 点和接触主面b 点的热流；只和目。分别为a 点和b 点的温度：k 为间隙热传导系数，可以表达成函数： k ，= ( 万dn ，7 ) ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 中，瓦为a b 点的温度均值：d 。为a b 两点间的距离，p 。，为a b 点的 接触压力：7 为关于a b 两点的爿它场变量的均位。在内燃机分析中，将七坤简 化为间隙距离的函数。 23 整机分析c a d 模型 整机计算模型包括缸盖、缸体、缸垫、缸套、螺栓、垫圈、气门、气门座圈、 气门导管、喷油嘴( 火花塞) 、框架、曲轴等。圈2 - 1 图示了某款发动机整机耦 台分析c a d 模型，表21 为该发动机主要参数： 图21 整机模型爆炸效果图 整机模型包含的零部件数量根据计算要求确定，如果仅仅评价缸挚的密封性 能，则仅仅包含缸盖、缸体、连接螺栓和汽缸垫即可。一般情况下，发动机的摄 高温度会出现在缸盖排气门之间的鼻粱区域，缸体之间的鼻梁区域，因此，建立 模型时，这些区域不能被简化。此外，缸盖缸体水套侧有应力集中的区域也不能 上海交通大学博十后研究作报告 简化 表2l 发动机基本参数 型式直列4 缸柴油机 燃烧系统共轨 进气系统涡轮增压中冷 缸径冲程8 l 9 24 m 单缸排量04 7 6l n 整机排量 l9 0 41 i t 最大爆发压力1 50m p a 额定功率 9 3k w 额定转速4 0 0 0r p m 升功率490k w 1 i t 最大扭矩2 7 1n m 最大扭矩转速 2 0 0 0r p m 缸挚多层盒属缸挚 缸盖螺栓预紧规格预紧至屈服点 24 整机分析有限元模型 进行有限兀网格划分时一定要注意接触面网格的处理，尽量使得接触面的节 点和单元一一对应，这样可保证计算结果的收敛性并加快计算速度。温度场计算 可采川低阶币兀，位移场求解需采用高阶单元。根据分析经验，对关注区域进行 网格细化。图2 2 为某款发动机的有限元装配模型，图2 - 3 为该模型的爆炸效果 图。 图2 - 2 整机有限元模型 上海交通大学博士后研究工作报告 图2 - 3 整机有限元模型爆炸效果图 表2 - 2 应力分析及传热分析单元类对照 单元类型 零件单元数节点数 结构分析热分析 缸盖c 3 d 1 0 md c 3 d 1 01 5 2 1 5 72 7 4 8 1 1 缸体c 3 d 1 0 md c 3 d 1 01 0 4 7 1 11 8 8 5 7 4 g k 3 d 1 2 nd c 3 d 1 5 7 6 84 4 1 6 缸垫 g k 3 d 6 l nd s 8 4 8 12 3 7 8 缸套 c 3 d 1 0 i v id c 3 d i o2 8 3 3 25 7 7 4 s 螺栓c 3 d 1 0 m d c 3 d 1 09 0 6 0 1 8 0 9 0 垫圈c 3 d 1 0 md c 3 d 1 01 5 0 7 3 7 0 3 气门c 3 d 1 0 m d c 3 d 1 09 3 6 01 9 5 0 4 气门座圈c 3 d 1 0 m d c 3 d 1 0 5 5 5 21 2 5 1 2 气门导管c 3 d 1 0 m d c 3 d 1 0 7 3 0 8 1 4 9 8 0 喷油嘴c 3 d 1 0 m d c 3 d 1 03 5 6 5 7 3 6 7 框架c 3 d 1 0 m d c 3 d 1 01 6 1 0 83 0 1 6 9 b 3 ld c l d 26 07 7 曲轴 t 3 d 2d c l d 22 2 52 5 0 总计 3 3 9 1 9 46 3 4 5 7 9 上海交通大学博士后研究工作报告 单元类型必须选择有利于非线性计算的单元，自由度的数量受到机器资源的 限制。表2 2 为该发动机有限元模型的单元类型。 各种材料的属性将随温度升高发生退化，一般情况下会缺乏这种非线性材料 属性，因此，金属材料一般都作了线弹性简化处理。表2 3 为某款发动机的材料 属性清单。 表2 3 整机各部分材料参数列表 部件名称材料i e i y 缸盖 曲轴箱、框架 缸套 螺栓 气门座 气门导管 进气门杆 排气门杆 火花塞 g k a i s i 7 m g g ka i s i 6 c u 4 g j l 。2 5 0 s t e e l s i n t e r e dp l s 3 0 1 s i n t e r e dp l s1 2 0 s u h l i x 4 5 c r s i 9 3 s u h 3 5 x 5 3 c r m n n i n 21 s t e e l 7 3 0 7 4 0 1 1 0 o 2 1 0 0 1 8 5 0 1 2 0 0 2 1 0 0 2 0 5 0 2 1 0 o 2 2 o 2 1 0 1 1 0 1 1 0 1 3 0 1 3 o 1 0 9 1 5 5 1 1 o 1 7 0 0 1 4 5 0 4 5 o 4 2 o 4 5 0 3 1 0 1 7 6 1 4 5 4 2 0 表2 3 中，e 为弹性模量、v 为泊松比、q 为膨胀系数、入为导热系数。汽 缸垫的材料属性非常复杂，为典型的非线性材料，因此，需要通过试验来确定汽 缸垫各密封区域的非线性特性。图2 5 图示了该发动机汽缸垫的压力与变形之间 的关系。 o 埘c 盯a c w 晴g t 饕0 l j 一8 b l一曲 一曲 ，一么 一曲 出 一c h c h c h 4 0 6 0 4 0 6 0 n o o 二如一? 0 3 图2 5 缸垫的有限元模型及其压缩特性曲线 3 3 3 3 3 3 3 3 3 m m m m n m m 仉 m -yj叠v量鼙-ivo鱼 上海交通大学博士后研究 作报告 第三章发动机整机分析边界条件 发动机整机耦合数值分析的边界条件叮分成阿类：传热边界条件和结构边界 条件。发动机运行期间，冷却水与缸盖缸体之间通过对流换热带走部分能量并冷 却发动机；发动机进排气道的气体与壁面之间的换热；燃烧室内四个冲程工质与 壁面之间的换热：活塞、活塞环通过润滑油膜与缸套壁面之间的换热；润滑油道 及气门室内润滑油与结构之间的换热；外部环境与发动机表面之问的换热。其中， 活塞、活塞环通过润滑油膜与缸套之间的换热过程非常复杂。 31 冷却水套与壁面之间的换热计算 通过单独的冷却水套c f d 分析可以初步了解水套的设计质量，包括：各区 域流速的分布、周向和径向流场的分布趋势。但是，通过水套分析无法了解发动 机结构真实的温度和热应力，因此必须通过流固耦合分析才能得到发动机结构 温度场和应力场。 一般情况下- 在完成水套c f d 网格划分后施加边界条件，边界条件一般通 过参考机型的试验数据得到，也可以通过制订通用的边界条件和评价标准。c f d 分析结束后，通过将边界条件向结构网格影射的方法得到结构的环境温度和对流 传热系数。图3 - i 图示了水套与冷却液之间的对流换热系数，图3 - 2 图不了壁面 附近的冷却液温度。 图3 - 1 缸盖缸体水套壁面换热系数分布 爿爿叫搿 上海变通大学博士后研究工作报告 i 图3 - 2 缸盖缸体水套壁面温度场分布 32 燃烧室内工质与壁面之间的换热 321 活塞、活塞环与壁面之间的换热。 在发动机过渡工况运行过程中，活塞组将沿气缸套内壁面作上下往复运动 活塞组与气缸套之间的运动关系如图3 - 3 所示【5 2 “i ： 图3 - 3 活塞组与气缸套之问运动关系简图 图3 - 3 中，l 为余隙高度，s 为活塞组位置，h 为曲柄轴轴线与活塞销孔轴 线之问的距离，活塞组在气缸套内壁面作上下往复运动。如果连杆长度为，曲 柄半径为r ，目表示曲柄转角，那么在任一曲柄角将存在如下三角几何关系： f 2 = ( ，+ r j ) 2 + r 2 2 “+ ，一s ) r c o s 8 ( 3 - 1 ) 即： 口：。! ! ：二生! ! ：二!( m ) 2 ( f + r 一订7 式( 3 一i ) 对时间求导，并进行整理，得到活塞组下行的线速度： 上海交通大学博士后研究工作报告 一ds=2xn(1+r-s)r41-cos2 0 ( 3 - 3 ) 一= = 一 t 一j d tl + r s r c o s 0 式( 3 3 ) 中，为发动机转速( 转，秒) 。在上式中，曲柄半径r 与连杆长度，为 不变的结构参数，因此，自变量曲柄转角乡与因变量活塞组位移s 之间存在一一 对应的关系。所以，可以对( 3 - 3 ) 式分离变量，得： n d t ：! ! 二兰二竺坠d s ( 3 - 4 ) 2 n ( 1 + ，一s ) ，1 一c o s 20 由于s 与秒存在一一对应的关系，因此，分析中s 与秒可以只用一个变量来表示， 令： ( s ) = 旦三尘掣氅 ( 3 5 ) 2 n - ( 1 + ，一s ) r 4 1 一c o s 20 如果在发动机活塞组一润滑油膜一气缸套耦合系统三维过渡工况传热计算中，取 计算时间步的长度为，。，那么，可以：对( 3 4 ) 式左右同时进行积分： “ n d t = ，r e ( j ) 豳( 3 - - - 6 ) 0o 上式中，表示相对于时间步长，。，活塞组在气缸套内壁面作往复运动所滑过的 距离，取r 。为发动机一个冲程，可以不考虑转速随时间的变化，因此，式( 3 _ 6 ) 进一步积分，有： i h ( s ) d s = n t o ( 3 _ 7 ) 6 式( 3 - 7 ) 中，f 。2 去，因此，( 3 - 7 ) 式的积分为： p o ) d s = i 1 ( 3 8 ) o 从( 3 - 7 ) 和( 3 8 ) 式可以看出，上述公式准确地表达了转速不变和转速改变的 过渡工况下，函数日俐的积分过程。从上述分析可以可出，在发动机一个冲程内， 积分p ( s ) 凼同转速和时间没有关系。基于这个推理，在发动机活塞组一润滑油 占 膜一气缸套耦合系统三维过渡工况传热模型分析中，可以将速度函数的积分转化 成函数日阳的积分，以此建立起与转速无关的耦合系统过渡工况瞬态传热有限元 模型。 图3 - 4 中，将气缸套从上到下划分为以下8 个区域，在活塞往复运行过程中， 每个区域所处的边界条件不一样，如区域a 5 ：该区中的接触面在活塞组的下行 1 4 上海交通大学博士后研究工作报告 过程中，首先将同冷却油雾接触，后同活塞组p 3 区域表面接触，后与活塞组p 2 区域润滑油接触，其后与活塞组p 1 区域表面接触，最后同工质接触，其边界条 件由冷却油雾的温度及冷却油雾与壁面之间的对流系数；活塞组p 3 区域润滑油 膜的厚度、润滑油膜的热传导系数和和p 3 区域活塞组表面的温度；p 2 区域润滑 油的温度及润滑油与壁面之间的对流传热系数；p l 区域润滑油膜的厚度、热传 导系数和和p l 区域活塞组表面的温度：工质的温度以及工质与壁面之间的对流 传热系数决定。 b d c p l p 2 p 3 图3 4 气缸套接触表面8 个不同的受载区域及活塞组第一环下三个不同的传热区域 u 从图3 4 中可以看出，气缸套a 5 区域的某一单元在不同时刻承受了4 种边 界条件：冷却油雾的冷却；与p 3 区域活塞组接触面单元通过润滑油膜的传热； 第三环区润滑油的冷却；与p 1 区域活塞组接触面单元通过润滑油膜的传热；工 质的对流传热。假设在上止点时刻，a 5 区域的气缸套单元纥，同冷却油雾接触， 那么，随着活塞组的下行，该单元首先暴露在冷却油雾下刀j 个时间子步，随后， 该单元与p 3 区域的单元接触砌个时间子步，然后，该单元暴露在润滑油中幻 个时问步，接着，该单元同p l 区域的单元接触乃个时间子步，最后，该单元暴 露在工质中珊个时间子步，因此，单元在一个时间步长内的环境温度和对流传 热系数由5 部分组成： 云s l ( 五，砭，z l ) = _ 1 皿( t ，砭，z l ) d t l= 2 艺吃+ 肇厶( 也，屹，乙) 吃+ + t i t 磕 i o 打i一- + 开一-+ 鼻 00 n = i 一= 坩i + ll i n i + 打2 + l 厅i + 1 2 + 七2 + ，i 一 i + 刀2 + k z + 1 1 + 一， + ( 托，艺，互) 死+ 口g弦漶) 式( 3 9 ) 中，口s 工 ，y ，z ) 为气缸套接触面a 5 区域单元的平均对流传热系数， 项吼( 五，瓦，乙) 乃( 唧，y p ，却) 由5 项组成： 吒( 五，五，乙) 耳( 斗，炸，乃) = ；t 卜耶+ c 五思乙纵砟帕砟坝帕+ 忍 ，如 日( s ) 西+ 心( 五，砭，乙) 耳( 昂，外，z e ) h ( j ) 凼+ p 晚加云g t g 日o ) a s j 3钆 = 2 耐吃+ 陋撕( x l ，虼，z i ) n - i j n ：n i + l 女= f i + 一，+ b1靠l + 一2 + 量2 + ，in f + 口。甜瓦盯魂+ 【( 托，虼，乙) 【 n = b i + n 2 “ jp i i p i i + n 2 + k 2 + l 。f 一一n l + n 2 生寸，l + n 3 + 口g t g f a c j a c 7 i h 一i l + 一2 + 七2 + ，i + 1 t p n k ( 砩，y p ，z p ) 玩】 ( 砟，郎，都) h 】 ( 3 1 0 ) s 。、屯、岛、s 4 、墨为对应于各接触段活塞组的行程，为对应于各接触段活塞组 的行程，等效平均环境温度为： 凡( 五，砭，互) = 生1i t l i + n 2 死+ ( 鼍，瓦，乙) n i l，一曩刀- + l l + 一2 + 七2 + 甜吃 月- n l + b 2 + l k - i t p n k ( x p ，y p ，邵) 鲰】 + 芝2 + 【口细( 五，艺，z d ) 打霉一l + 打2 + 七2 + l t ( 即，y e ，却) h 】( 3 - 1 1 ) 七= f + c t g t g 2 窆乞加吃) 羔吃+ 聂细( t ，砭，乙) 吃+力力吃) 吃+ ( t ，砭，乙) 吃+ 一i i + 一2 + k 2 + 1 n + l n = l n = n i + l 甜 艺麓+ + n z + k 2 + i t ( 也，虼，互) + 口gn l +