（动力机械及工程专业论文）薄壁干式缸套—活塞组热负荷有限元分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着柴油机升功率的不断提高，采用薄壁干式缸套的柴油机因其具有 刚性好、振动和噪声小、加工工艺简单等优点在实际应用中越来越广泛。活塞和缸 套作为组成柴油机燃烧室的重要零部件，在工作状态下所承受的热负荷和机械负荷 也相应增加，极易出现活塞开裂、活塞环胶结拉缸、缸套变形、开裂等故障现象。 因此，深入研究和分析缸套和活塞组的温度场和热变形，对保证薄壁干式缸套和活 塞间的合理配合间隙、防止拉缸、提高其工作可靠性具有重要意义。 本文选用硬度塞和热电偶分别实测了y z 4 1 0 5 q f 柴油机在标定工况下活塞和缸 套的温度，并分析了温度随转速和负荷的变化关系。以实测温度为依据，建立机体、 缸套一活塞组三维组合有限元模型，确定合理的换热边界条件，利用有限元计算软 件a n s y s 模拟计算了柴油机活塞组和缸套在标定工况下的温度场，计算结果与实验 测量值基本一致。在此基础上，对缸套一活塞组在预紧力、热负荷下的应力场与变 形进行了模拟计算，同时为更真实的模拟发动机的实际工作状态，本文还计算分析 了缸套一活塞组在爆发工况时热力耦合作用下的综合应力和变形，并对预紧力、热 负荷以及热力耦合三种情况下缸套一活塞组的应力与变形进行了对比分析。最后， 根据计算结果，提出了缸套一活塞组的结构改进方案，并进行了模拟计算。 关键词：柴油机，缸套一活塞组，温度场，热负荷 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，t h ed i e s e le n g i n e so ft h i nw a l ld r y c y l i n d e rl i n e r , w h i c ha l eg o o d r i g i d i t y , l e s sv i b r a t i o na n dn o i s ea n ds i m p l em a n u f a c t u r i n g ，a l eb e c o m i n gm o r e w i d e s p r e a dw i t h t h ec o n t i n u o u se n h a n c e m e n to fe n g i n ep o w e r a st h ei m p o r t a n t c o m p o n e n t so fc o m b u s t i o nc h a m b e r , p i s t o na n dc y l i n d e rl i n e r a r ee a s i l yc r a c k i n g ， c y l i n d e rs c o r i n ga n dd e f o r m a t i o nw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h e r m a ll o a da n dm e c h a n i c a ll o a d t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ld e f o r m a t i o nf o rt h ec y l i n d e r l i n e ra n dp i s t o nw i l lb eb e n e f i c i a lt op r e v e n tc y l i n d e rs c o r i n ga n di m p r o v et h er e l i a b i l i 哆 o ft h ee n g i n e t h et e m p e r a t u r eo fp i s t o n c y l i n d e rl i n e rw a sm e a s u r e d 丽t l lt h eh a r d n e s sp l u ga n d t h e r m o c o u p l e s ，w h i l et h ed i e s e le n g i n ew o r k e da tt h er a t e dp o w e r , a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e np i s t o n c y l i n d e rl i n e rt e m p e r a t u r ea n de n g i n eo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw a sa n a l y z e d i nt h i sp a p e r t h e3 一df i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ee n g i n eb l o c k , c y l i n d e r - p i s t o ng r o u pw a s e s t a b l i s h e da n dar e a s o n a b l 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 sw a sd e t e r m i n e db a s e do n t h em e a s u r e dt e m p e r a t u r e t h es i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dw a sc a r d e do u tw i mf e m s o f t w a r ea n s y s a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw e r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i mt h e e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s t h es t r e s sf i e l da n dd e f o r m a t i o no ft h ec y l i n d e rl i n e r - p i s t o n g r o u pu n d e rt h ep r e - t i g h t e n i n gf o r c ea n dt h e r m a ll o a dw e r es i m u l a t e d i no r d e rt om a k e t h es i m u l a t i o nm o t ec o r r e c t 丽t ht h ee n g i n e sa c t u a lt h e r m a ll o a d ，t h ec o m p o u n ds t r e s s e s a n dd e f o r m a t i o nu n d e rt h et h e r m o - m e c h a n i c a lc o u p l i n gc o n d i t i o n sw e r ea l s oc a l c u l a t e d a n da n a l y z e d ，a n dt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nu n d e rt h et h r e ed i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r e c o m p a r e da n da n a l y z e d f i n a l l y , t h es t r u c t u r a li m p m v e m e n tw a sp r e s e n t e da n ds i m u l a t e d a c c o r d i n gt ot l l ec a l c u l a t i o i l s k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，c y l i n d e rl i n e r - p i s t o ng r o u p ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a l l o a d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口，在年我解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱 学位论文作者签名：告j 幻；龟指导教师签名：弓勺仰 ，啤6 月g 日伽f 晖 月矿日 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孑7 汤垮 沙? 帚年l | ；只b 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 薄壁干式缸套一活塞组热负荷研究的意义 发动机在工作过程中，气缸套受高温高压燃气的作用，会产生很大的热应力和 变形，一但超过其材料的许用强度，将会导致部件本身变形失效，恶化内燃机工作 工程，尤其是对采用薄壁干式缸套结构的机体和缸套而言，由于其传热较差，温度 分布不均匀，容易发生局部形变甚至开裂。 活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作，直接与高温燃气接触，散 热条件很差，温度分布极不均匀，承受较大的热负荷；在作功行程，活塞顶部承受 很大的爆发压力，而活塞销座又承受连杆传递的推力使得活塞产生冲击和挤压，同 时活塞还承受侧压力的作用，受力情况比较复杂；活塞在气缸内以很高的速度( 8 1 2 m s ) 往复运动，且速度不断变化，产生较大的惯性力，同时还承受着缸套、活塞 环的摩擦力以及燃气的化学腐蚀作用。在上述恶劣的条件下工作，活塞会产生变形、 加速磨损，甚至开裂。 由于薄壁干式缸套一活塞组受较高的机械和热负荷的共同作用，工作条件比较 恶劣。如果结构设计不合理，容易造成活塞、缸套变形严重，活塞与缸套配合间隙 过小，活塞环断裂，刮伤缸壁，也极易造成柴油机拉缸现象的发生【1 1 ，从而导致气 缸压缩压力降低，动力性丧失；可燃混合气下窜使曲轴箱压力增大，严重时会引起 曲轴箱爆炸；润滑油上窜到气缸内引起烧机油现象发生；排气管冒烟严重；发动机 噪声异常；发动机不能正常工作甚至熄火等。因此有必要对薄壁干式缸套一活塞组 的热负荷进行深入的研究。 1 2 数值模拟在内燃机工程上的应用 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大功率 的发电机组和更为节能环保的内燃机。这一切都要求内燃机工程师在设计阶段就能 精确地预测出产品的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场和燃 烧等技术参数进行分析计算。 计算机辅助集成技术( 哟闭，是近年发展起来的数值模拟技术，并得到不断 江苏大学硕士学位论文 深化和延伸应用。c a x 包括：计算机辅助造型( c a s ，c o m p u t e ra i d e ds t y l i n g ) 、计 算机辅助设计( c a d ，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 、计算机辅助制造( c a m ，c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 、计算机辅助工程分析( c a e ，c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 、 计算机辅助i 式验( c a t ，c o m p u t e ra i d e dt e s t i n g ) 、计算机辅助质量检n ( c a i ， c o m p u t e ra i d e di n s p e c t i o n ) 、计算机辅助工艺规程编带t j ( c a p p ，c o m p u t e ra i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ) 、产品信息管理口i m ，p r o d u c ti n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ) 等等。 c a x 实际上是把多元化的计算机辅助技术集成起来，复合和协调地进行工作。 例如分析计算柴油机机体、缸套的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析发 动机进气道气体流运参数，以提高其进气效率等，这些都可归结为求解物理问题的 控制偏微分方程式，这些问题的解析计算往往是不现实的。近年来在计算机技术和 数值分析方法支持下发展起来的有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 方法 则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。在内燃机工程中，有限 元分析软件与c a d 系统的集成应用使内燃机设计水平发生了质的飞跃，除了在产 品设计时可以增加设计功能，减少设计成本，缩短设计和分析的循环周期，同时， 在产品制造或工程施工前可以预先发现潜在的问题，采用优化设计，降低材料的消 耗或成本；在产品设计过程中，模拟各种试验方案，减少试验时间和经费，增加产 品和工程的可靠性。如1 9 9 3 年美国克莱斯勒公司的“彩虹 轿车设计，就是采用 了c a x 进行结构设计，仅开发周期就缩短了3 1 个月，这是c a x 首次在汽车领域 进行的产品开发演练【3 】。 总之，数值模拟技术对内燃机的发展起了很大的推动作用。目前有限元数值模 拟分析主要针对内燃机的机体、气缸盖、气缸套、活塞、连杆、曲轴、进排气管、 增压器等的开发和改进，分析的内容包括受热零件的温度场分析、零部件强度和刚 度分析以及噪声振动分析等。内燃机主要研发机构和主要汽车生产商一般都使用专 业的有限元分析商业软件，目前世界上大型的结构分析软件主要有：a b a q u s 、 a n s y s 、m s cn a s t r a n 、m s cm a r c 等。世界著名的内燃机研发机构如a v l 、r i c a r d o 、 f e v 等主要使用伽b a q u s 、m s cn a s t r a n 以及a n s y s 等软件。 1 3 缸套一活塞组研究现状 1 3 1 缸套材料及加工工艺 ( 1 ) 气缸套材料及加工工艺 2 江苏大学硕士学位论文 目前制备柴油机缸套用的材料以铸铁为主，还有铝合金及陶瓷等。缸套用铸铁 材料主要为灰铸铁、高磷铸铁、硼铸铁、钒钛铸铁、磷铜钛多元素铸铁、铌铸铁以 及蠕铁等哺3 ，发动机采用铸铁缸套具有耐高温性能优越以及较高的燃油效率等优点， 但随着发动机越来越轻型化的要求，铸铁缸套也将被其它更轻更优质的材料所替 代。铝合金作为发动机缸套和缸体材料，应满足发动机的3 个重要性能指标：质轻、 导热性好、缸套与缸体的热膨胀率相同f 5 l 。现在广泛应用的铝合金为铝硅过共晶合 金，它添加了大量铁和镁元素，能生成硬质相，如初生硅晶体，极大地提高了材料 的耐磨性。陶瓷缸套具有导热性低、耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗氧化等一系列优点。 缸套的加工一般采用铸造，缸套铸造分为型砂铸造和离心铸造，前者正逐渐被 后者所取代。离心铸造使得产品缺陷得到控制，力学性能优越，成本低廉，并能提 高缸套的耐磨性、致密性及强度。发动机缸套表面强化的主要工艺方法有：过共晶 砧s i 合金或砧s i 复合体涂覆法、全铝复合电镀缸套法和激光珩磨法【6 】。 ( 2 ) 活塞材料及工艺 随着发动机向高速、节能环保方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。目前， 车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷、碳材料等。铝合 金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动的惯性力，因此铝合金活塞常 应用于中、小缸径的高速发动机上。与铸铁活塞相比，铝合金活塞导热性好，工作 表面温度低，顶部的积炭也较少。目前铝合金活塞材料大致分为4 判4 】：a 1 c u n i m g 系、a 1 c u _ s i 系、共晶型a 1 s i c u m g 系及过共晶型触一s i c u m g 系。铝合金活 塞由于本身所固有的热强度不高、线膨胀系数相对较大，在柴油发动机上的使用受 到限制。因此在大功率的柴油发动机上，通常采用热强度和耐磨性较高而线膨胀系 数较小的铸铁活塞。 陶瓷是用于汽车发动机上的新材料，具有质量轻、耐磨、绝热性好、高温强度 高等优点。全陶瓷活塞目前还无成功的应用实例，但组合式陶瓷活塞己在特种发动 机上得到一定的应用。 铸钢活塞机械强度高，耐热性、耐蚀性及耐磨性均优于铝合金和铸铁，具有较 高的弹性模量，稳定的高温性能和较低的线膨胀系数，但缺点是密度大、成本高， 对缸套的磨损严重。 在活塞加工工艺方面，目前，铝合金活塞应用最多的铸造工艺是挤压铸造，还 有锻造和金属型造。活塞在工作时容易造成活塞环槽磨损、顶部燃烧室烧毁、活塞 ， 江苏大学硕士学位论文 裙部擦伤磨损，通常都要对活塞进行表面处理，通过表面处理可降低活塞摩擦因数， 或提高活塞表面硬度、强度、耐高温性，从而提高活塞的使用寿命。活塞表面强化 方式主要有：镀铬、微弧氧化、激光处理和等离子喷涂等。 ( 3 ) 活塞环材料及加工工艺 活塞环是燃油发动机内部的核心部件，分为气环和油环。活塞环材料应具备良 好的耐磨性、耐热性、耐蚀性、强韧性、导热性、适当的弹性以及与气缸材料的磨 合性等。目前国内外应用较普遍的活塞环材料主要有铸铁类、钢类、金属陶瓷等。 铸铁具有良好的耐磨性，成本低廉，被广泛用于活塞环的制造。活塞环材料以灰铸 铁为主，通常加入一些合金元素如c r 、c u 、m n 等，使其硬度达到h r b 9 8 - - - 1 0 7 。 活塞环还可采用球墨铸铁，其基体虽以铁素体为主，但其耐磨性不亚于优质灰铸铁， 且热稳定性比普通灰铸铁好。对于高速和特别强化的发动机，由于要求较高的弹力 和抗冲击性能，一般采用钢制活塞环，且在滑动表面镀铬( 配氮化缸套) 或经氮化处 理( 配镀铬缸套) 以改善滑动性能。制造活塞环的钢材有高碳钢、锰钢、氮化钢等。 但这种活塞环成本较其他种类高，而且很难达到发动机轻量化的要求。用粉末冶金 工艺制造的金属陶瓷活塞环具有许多独特的优点，如具有多孔性，保持润滑油的能 力强，通过孔隙度的调整及硬质点的配合可以得到弹性模量低而硬度高和耐磨性好 的材料。 发动机活塞环加工主要采用球墨铸铁活塞环的铸造工艺，主要有双片椭圆铸造 工艺、四片椭圆短筒体铸造工艺、圆短简体铸造和单体椭圆铸造等。其表面强化 处理工艺主要有表面电镀c r 、钢质活塞环的氮化处理、表面喷m o 和表面陶瓷涂层 强化等【4 】。 1 3 2 试验研究 1 9 9 5 年，华中科技大学的吴承雄等人分别在标定和超负荷工况下测量了d 1 6 0 f 柴油机气缸盖和气缸套的温度场，并指出了降低鼻梁区和排气门座圈温度以及改善 温度分布不均匀的途径 7 1 ；1 9 9 8 年，江苏大学陈广晖、王忠等人设计了风冷柴油机 热负荷的测试方案，用热电偶法对不同结构气缸盖、气缸套在不同工况下的温度场 进行了测试，根据试验结果提出了降低风冷柴油机热负荷的方法嗍；2 0 0 5 年，武汉 理工大学钱作勤等人用硬度塞法测量了4 1 1 2 z q 型柴油机机体的温度场【9 】，同年， 江苏大学孙平、奚志朋等人同样采用硬度塞法成功测量了y z 4 1 0 5 q f 柴油机活塞的 4 江苏大学硕士学位论文 温度场分布【1 0 】；2 0 0 6 年同济大学的施培文分别用硬度塞法和热电偶法对3 7 6 电喷汽 油机活塞和缸盖的温度进行了测量【1 1 】。 1 3 3 数值计算分析 近几十年来，随着内燃机强化程度的不断提高，受热零部件的热负荷也随之增 加，而内燃机的热负荷在很大程度上决定了发动机的经济性和可靠性。因此，受热 零部件的热分析一直是内燃机传热研究中的一个重点。目前，对缸套、活塞组等受 热零部件的温度场计算、热变形、热应力及机械应力、应变的有限元计算日趋成熟， 主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 三维精确模型计算 早期内燃机有限元分析，由于计算机的硬件较差，运算速度较慢，而且有限元 分析软件的解题能力较弱，因此在对活塞进行有限元分析时，大多采用二维模型， 这类模型简单，计算相对容易，但忽略了活塞销等结构对活塞的影响，并默认其机 械负荷的支反力由轴对称结构承担，这与实际情况相差较大。随着计算机技术的发 展，采用三维简化模型，比如简化了活塞的冷却油道等，此类活塞在进行热计算时 无法反映热传导、热应力场及热变形的真实情况。目前活塞的分析已发展成为对活 塞建立精确完整的模型进行模拟分析【1 2 1 ，使计算结果更为真实可信。 ( 2 ) 缸套一活塞组部件耦合分析 长期以来，人们较多采用单件有限元分析方法对内燃机燃烧室受热零部件进行 传热分析。在研究缸套、活塞传热问题时，活塞与润滑油膜以及润滑油膜与缸套的 边界条件极难确定。近年来，随着计算机技术及有限元分析软件功能的不断完善， 对活塞、活塞销、活塞环及气缸套进行耦合模型分析已逐步实现。耦合方法考虑各 部件之间的相互影响，给出这部分的边界条件，能准确地反映各受热零部件的传热 过程，提高数值模拟精度及可信性，因此耦合传热问题越来越受到人们的重视。目 前，缸套一活塞组部件( 即活塞、活塞销、活塞环及气缸套) 耦合热分析研究在国 外内燃机的研究中尤为突出【1 3 】 a 4 1 1 5 】。 ( 3 ) 耦合场分析 缸套一活塞组在高温、高压、高速的工作环境中，热变形和热应力的分布对其 影响很大，但燃气爆发压力和活塞往复运动的惯性力等机械应力对其影响也不可忽 略，因此为了能更真实地反映缸套、活塞应力分布，需要综合活塞热应力和机械应 5 江苏大学硕士学位论文 力的双重作用耦合分析求解。在对活塞进行热应力和机械应力耦合分析时，目前通 常是先对活塞施加机械载荷、位移载荷和约束并完成力学平衡，然后将活塞温度场 的分析结果转化而来的温度载荷也加载到单元中，从而进行机械负荷和热负荷的迭 加耦合分析【1 6 1 。 ( 4 ) 瞬态耦合温度场分析 发动机缸套一活塞组整体耦合系统的非稳态温度场分析模型可模拟发动机一个 循环内活塞组、润滑油膜和缸套的温度场详细情况，并预测活塞组、缸套内表面、 活塞环及润滑油膜的温度波动。内燃机运转时，缸套一活塞组的温度和应力随工况 的变化而变化，这种交变的载荷是导致活塞疲劳损伤的因素。相对稳态分析而言， 活塞的非稳念温度场分析与实际情况更为贴切【1 7 1 ，因此活塞非稳态热传导问题长期 以来一直是国外内燃机研究的中心问题。2 0 0 7 年浙江大学李迎等采用耦合传热方法 模拟活塞一缸套间的瞬态传热【堋，不但可以大大简化边界条件，同时使传热过程的模 拟更加符合实际工作状态。 ( 5 ) 基于整体传热耦合的数值模拟 内燃机传热整体耦合研究是指把缸内流动、燃烧、对流传热、辐射传热模型 与受热零部件及冷却介质的传热耦合起来，进而对整体传热模型进行模拟研究。内 燃机传热整体耦合研究是由m o r e l 于1 9 8 5 年首先提出【1 9 1 ，他采用网络法对几种绝 热发动机进行了传热计算，并于1 9 8 7 和1 9 9 0 年采用同样的方法分别对活塞的二维 热冲击和三维稳态温度场进行了计算分析。国内率先进行整体耦合研究的是陈国 华，他于1 9 8 7 用有限元方法建立了活塞组一润滑油膜缸套耦合系统的瞬态传热 模型2 0 1 ；此后，又用该模型计算了1 3 5 陶瓷柴油机活塞组缸套耦合系统的循环 瞬态传热。1 9 9 4 年，白敏丽也首次对内燃机传热的整体耦合研究进行数值模拟【1 7 1 ， 此耦合模型运用有限分析方法建立活塞组缸套整体二维耦合模型，对易发散的润 滑油膜简化处理为热阻，并对运动热边界条件进行了分析。在此以后，白敏丽又运 用此模型对系统过渡工况传热及系统循环瞬态传热进行了研究，并在此基础上，初 步建立了考虑摩擦热的活塞组缸套整体耦合模型。 到目前为止，内燃机传热的整体耦合研究比较少，主要以二维模型分析为主， 由于缸内燃烧、流动传热及热边界层理论的耦合局限性，整体耦合研究还主要集中 在活塞缸套传热系统中，难以形成完整的传热分析耦合模型，离真实的内燃机传热 全真模拟还有相当的距离。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 发展趋势 内燃机传热的整体耦合研究是未来内燃机传热的发展趋势，目前已在气缸盖、 缸套、活塞等局部的耦合传热研究中取得了一定的成果【2 1 】。而内燃机设计是一个复 杂而庞大多学科耦合研究系统，各学科之间有着密不可分的各种关系。单一从某一 学科去研究内燃机热负荷问题是不全面的，在内燃机高速发展的今天，内燃机的设 计也要求越来越精确。如何运用内燃机传热整体耦合研究的成果，综合结构分析、 流体动力学、燃烧学等多学科来精确研究必然成为内燃机传热研究的趋势。目前基 于内燃机的多学科耦合研究刚刚开始，随着各学科理论分析及数值计算在内燃机设 计应用的进一步深入，基于内燃机传热的多学科耦合研究必然会不断的深入和发 展，也将为现代内燃机的全面设计奠定基础。 1 。5 本文研究的主要内容 本文主要进行以下几个方面的工作： ( 1 ) 利用p r e o e n g i n e e r 三维造型软件对机体、缸套一活塞组进行三维造型， 并利用网格划分软件h y p e r m e s h 对三维模型进行离散化得到有限元模型。 ( 2 ) 运用“温度拟合法 反复修正模拟计算缸套一活塞组温度场的边界条件， 采用有限元计算软件a n s y s ，模拟计算了缸套一活塞组的温度场，实测零件温度 场进行实验验证，计算结果与实验测量值基本一致。 ( 3 ) 对机体、缸套一活塞组组合件进行预紧力和热负荷下有限元计算分析， 考察活塞、活塞环和缸套各处的应力和变形； ( 4 ) 在标定工况下，对机体、缸套一活塞组部件进行热力耦合有限元计算； 得到活塞和缸套的综合应力和变形，通过对预紧力、热负荷以及热力耦合三种情况 下缸套一活塞组应力与变形进行比较，分析活塞拉缸以及缸套开裂的可能原因。 ( 5 ) 根据计算结果，提出了缸套一活塞组的结构改进方案，并进行初步计算， 通过对计算结果的分析，判断结构改进的合理性。 7 江苏大学硕士学位论文 第2 章缸套一活塞组研究的有限元理论基础 2 1 有限元方法的特点 有限元方法是对古典近似计算的归纳和总结。它吸取了有限差分法中离散处理 的内核，又继承了变分计算中选择试探函数并对区域积分的合理方法。由于对单元 作了积分计算，就充分估计了不同单元对节点参数的不同贡献，从而克服了有限差 分法中不考虑单元本身特性的缺点。 有限元方法传统应用在固体领域，如导热温度场和应力场的计算等。其实质是 把具有无限个自由度的连续物理系统理想化为只具有有限个自由度的单元集合体， 从而使问题转化为适合于数值求解的结构型问题。有限元法计算结果的精度取决于 假设的位移函数反映实际变形的准确程度和单元划分的精确程度。有限元法特别适 用于对复杂形状和条件的物体进行分析。目前，有限元法在工程技术领域中的应用 十分广泛，几乎所有的弹塑性结构静力学、动力学、磁场、温度场、流体力学等问 题都可用它求得满意的数值近似结果【2 2 1 。 有限元的实质是把一个连续的弹性体划分成有很多个彼此只在有限个节点处 相互连接的、具有有限大小的单元组合体来研究，也就是用一个离散结构来代替原 来的结构，作为真实结构的近似力学模型，以后所有的分析计算就在这个离散的结 构上进行。有限元法之所以能够解析结构任意复杂的问题，并且计算结果可靠、精 度高，其中原因之一就在于它有丰富的单元库，能够适应各种结构的简化。 有限元法以变分原理和剖分插值为基础嘲。计算时先根据问题的物理性质建立 起单元特征公式，然后再把各单元连在一起建立以节点上某物理量为未知数的多元 线性或非线性方程组进行求解，以取代对原结构的求解。整个计算过程可归纳为： 先分后合，以点代面。对温度场来说，节点上的未知物理量就是温度；对固体力学 来说，节点上的未知物理量可以是广义位移( 位移、转角等) ，也可以是广义力( 应 力、内力等) ，或者是它们二者的结合。 2 2 传热学有限元理论基础 传热学是研究由温差引起的热量传递规律的科学【纠。凡是有温度差的地方，就 8 江苏大学硕士学位论文 存在热传导问题。因此，热传导问题也称为温度场问题【2 5 1 。就物体温度与时间的变 化关系而言，一般可从稳态温度场和瞬态温度场两个方面进行研究。在内燃机工程 中，传热问题是内燃机设计阶段不可忽视的重要指标。考虑到内燃机零部件不规则 的结构形状，目前，一般采用有限元方法对内燃机温度场进行模拟计算闭。 2 2 1 温度场问题的基本方程 根据能量受恒定律与傅立叶定律可以建立导热物体中温度场的数学关系式，即 导热微分方程。导热微分方程是求解温度场的前提，在一般三维问题中，瞬态温度 场的温度t ( x ，y ，z ，f ) 在直角坐标系中应满足的微分方程是： 伊妾= 昙( 五妄 + 号( 五考 + 昙( 力塞) + 吼 c 2 m 其中，p 一材料密度( 姆m 3 ) ； c 一材料比热( ，( k g k ) ) 5 f 一时间( s ) ； 兄一材料的热传导系数( w ( m k ) ) ； 吼物体内热源强度( w m 3 ) 。 若物体各点温度不随时间变化，即：_ o t ：0 ，而且热物性参数兄、p 、f 均为 常数时，瞬态热传导方程就退化为稳态热传导方程： 文警+ 等+ 鲁 乜= 。 g 力 求解稳态温度场的问题就是求满足稳态热传导方程及边界条件的场变量，的过 程。 2 2 2 定解条件 求解导热问题实质上归结为对导热微分方程式的求解。为了得到导热微分方程 式的唯一解，必须附加边界条件和初始条件，统称为定解条件，与微分方程联立求 解。对于不稳定导热要给出初始时刻温度分布的初始条件，以及给出物体边界上的 温度或换热情况的边界条件，对稳态导热则无初始条件，仅有边界条件。 ( 1 ) 初始条件 9 江苏大学硕士学位论文 初始条件是过程开始时物体整个区域中所具有的温度值为己知值，用公式表示 为： f ir 卸2h x , y ，z ) ( 2 3 ) 式中：厂似y ，z ) - - 已知函数，表示物体初始温度。 ( 2 ) 第一类边界条件 第一类边界条件是指物体边界上的温度函数为已知，用公式表示为： tr = l ( x , y ，z ，f )( 2 4 ) 式中：r 一为物体边界，r 的正向是逆时针方向； l ( x ，y ，z ，f ) 一为已知温度函数( 随时间和位置而变) ( 3 ) 第二类边界条件 第二类边界条件是指物体边界上的热流密度g 为已知。由于q 的正向就是边界 面外法线 的方向，用公式表示为： 以烈嗍w ，力 ( 2 5 ) 式中：厶似y ，z ，f ) 一为己知热流密度函数。 应该注意，( 2 5 ) 式中热流量从物体向外流出，热流密度口的正向是边界面外 法线的方向。按照( 2 5 ) 式，在有限单元法计算输入第二类边界条件原始数据时， 凡是热流从物体向外流出者q 值都取正号，而热流向物体流入者g 值都取负号。 ( 4 ) 第三类边界条件 第三类边界条件是指与物体相接触的流体介质的温度t ，和换热系数口为已知。 用公式表示为： ： 叫知= 口( t ，- t ) ( 2 6 ) 口和，可以是常数，也可以是随时间和位置而变化的函数。如果口和，不是常 数，则在数值计算中经常对边界进行分段并取其平均值作为常数。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 3 接触问题的理论基础 在对内燃机进行热分析时，内燃机各部件间存在着接触关系，如螺栓与气缸盖， 气缸套与机体，气缸盖与气缸垫、气缸垫与机体等的接触作用等等。因此，有必要 将接触理论引入有限元分析中。在有限元分析中，可以把接触问题的处理方法归纳 为两种，一是在相邻的区域节点间采用接触单元，二是在相互运动表现为接触时， 采用节点自动耦合。薄壁缸套和机体过盈配合所产生的预紧力完全靠相互作用的接 触力来完成【韧，因此接触力的计算精度直接影响有限元分析的计算精度。 2 3 1 接触界面条件 ( 1 ) 法向接触条件：法向接触条件是判定物体是否进入接触以及进入接触后应该 遵守的条件。此条件包括运动学条件和动力学条件二个方面。不可贯入性是接触面 间运动学方面的条件，是指接触体间的位形在运动过程中不允许相互贯穿( 侵入或 覆盖) ；法向接触力是接触面间动力学方面的条件，在不考虑接触面间的粘附情况 下，它们之间的法向接触力是压力。 ( 2 ) 切向接触条件：切向接触条件是判断已进入接触的二个物体接触面上的具体 接触状态，以及他们各自应遵循的条件。 2 3 2 接触力的计算 产生接触的两个物体表面必须满足无穿透约束条件，即满足公式： a u a 厅d ( 2 刀 其中，血。一a 点增量位移向量；胛一单位法向量；d 一接触距离容限。 在数学上，接触力的计算有三种基本方法：拉格朗日乘子法、罚函数法以及直 接约束法。 ( 1 ) 拉格朗日乘子法是通过拉格朗日乘子施加接触体必须满足的非穿透约束条 件的带约束极值问题的描述方法，它是一种精确的接触力算法，但与显式算法不相 容，要求特殊的数值处理。 ( 2 ) 罚函数法是一种施加接触约束的数值方法，一旦接触区域发生穿透，罚函 数便夸大误差的影响，从而使系统的求解无法正常实现。它允许相互接触的边界产 生穿透，并通过罚因子将接触力大小与边界穿透量大小联系起来。这种方法在显式 动力分析中被广泛应用，但罚函数选择不当将对系统的数值稳定性造成不良的影 1 1 江苏大学硕士学位论文 一 响。 ( 3 ) 直接约束法处理接触问题是追踪物体的运动轨迹，一旦探测出发生接触， 便将接触所需要的运动约束和节点力作为边界条件直接施加在产生接触的节点上。 这种方法对接触的描述精度高，无需增加特殊的界面单元，不增加系统自由度数， 有限元求解过程与接触处理过程相对独立，但由于接触关系的变化会增加系统矩阵 带宽。 在有限元分析中，接触条件是一类特殊的不连续的约束，它允许力从模型的一 部分传输到另一部分。因为仅当二个表面接触时才应用接触条件，所以这种约束不 是连续的。分析方法必须能够判断什么时候二个表面是接触的，并且应用相应的接 触约束；类似的分析方法也必须能够判断什么时候二个表面分离并解除接触约束。 2 3 3 求解过程 接触过程中接触面的范围和接触状态是事先未知的，此特点决定了接触问题需 要采用试探一校核的迭代方法进行求解。每一增量步的试探一校核过程可概括如 下： ( 1 ) 根据前一步的结果和给定的载荷条件，通过接触条件的检查和搜寻，假设 此步第1 次迭代求解时的接触面的区域和状态( 接触体间无相对滑动的接触状态称 为“粘结”，有相对滑动的接触状态称为“滑动”) 。 ( 2 ) 根据上述关于接触面区域和状态所作的假设，对于接触面上的每一点，将 运动学或动力学上的不等式约束条件改为等式约束条件，作为定解条件引入方程并 进行方程的求解。 ( 3 ) 将接触面上和上述等式约束所对应的动力学或运动学的不等式约束条件作 为校核条件，对解的结果进行检查。如果物体表面的每一个点都不违反校核条件， 则完成本步的求解并转入下一增量步的计算。 2 4 热弹性理论 金属材料具有热弹性，在温度作用下会产生体积变化，即热应变。当结构的热 应变因外界环境的约束或者结构各部分之间热膨胀系数而相互作用时，就会产生热 应力。在内燃机传的热研究中，主要是分析受热零部件因温度改变而产生的在弹性 范围内的应力、应变和位移。 江苏大学硕士学位论文 热弹性理论与一般弹性理论类似，也是从静力学、动力学、几何学和物理学等 方面出发，来考虑建立基本方程。从静力学出发建立的平衡方程、运动方程，与无 温度改变的一般弹性理论的方程完全相同。 ( 2 8 ) 式中，正应力分量巳，盯，o z 包括由于温度改变引起的热应力；，乞为剪应力； 厂x ，厂y ，厂：为单位体积力在石，y ，z 方向的分量。 热弹性理论的几何方程的形式也与一般弹性理论中的方程一样，如式( 2 9 ) o uo vo u q 2 瓦，2 瓦+ 瓦2 呶 。 呶o v 。 o v 秽w 优 s y2 瓦，2 瓦+ 瓦。如 o wo wd u 乞2 i ，比2 i + i 2 比 院班宓 ( 2 9 ) 其中，巳，q ，巳为正应变；如，比为剪应变；甜，v ，w 为任一点的位移在x ，y ，z 方 向的分量。 几何方程的形式之所以不变，是因为几何方程反映的是应变与位移之间的纯粹 几何关系。只要保证弹性体变形连续，必然会得到上述几何方程。 在热弹性物理方程中，存在外力和温度变化共同作用，应变中由应力引起的那 部分变形仍服从胡克定律，由温度变化引起的那部分应变则服从热膨胀规律，即 毛= 胛，其中五为热膨胀系数( 单位) 。由于物体假定为各向同性，热膨胀不引起 任何角位移，因此不存在剪应变和旋转，而正应变在各方向都有相同的数值，即： 娌= 旺= 旺= c 珏q 1 0 ) 其中，口一热膨胀系数；z _ 、温度；，占小岛一热应变。 但是，由于物体所受的外在约束以及内部之间的相互约束，上述热变形并不能 = | | = 一厂 一厂 一广 + + + 忆i i 魄i + + + 一钞堡钞笠钞 + + + 峨卜毽i眈i 江苏大学硕士学位论文 自由地发生，因而引起热应力。为便于区分，我们将气，表示为弹性应变； ，g y ，t 表示为全应变，即包括弹性应变和热应变两部分。对于全应变，表示为： + ! ：，277 2 气+ ( 2 m ) y 碍2y 驴，y 弘2y 烨，y a2y 跚 将( 2 1 0 ) 式代入上式得： 巳2 气+ 刀，y 2 s 声+ 砑，乞。占z + 砑 ( 2 1 2 ) 球一y 磅e 1 弘一j y 弘c j y 岱2j 1 5 根据虎克定律，整理后得到： = 锄苏= 乜一加。( 1 + ) ) 2 g y = o v o y - - h 一印。( 1 + ) ) 2 g ( 2 1 3 ) z = 撕她= k z ps i 0 + 曲 2 g y 碍= t 科| 2 g ，y 归= t 乒| 2 g ，y 。= t 翟f 2 g q 1 4 ) 其中，o 。= 吒+ q + 吒；吒，c r y ，吒为正应力；，f 声，吃为剪应力；& ，勺，乞为正 应变；，坛为剪应变；”，w 为任一点的位移在x ，y ，z 方向的分量；g 为剪切 弹性模量；为泊松比。 上面两式就是含有温度变化的广义虎克定律，可整理成如下的矩阵形式： x s y z 7 q 7 1 i z y 。 1 e 上式可简化为： p 】- 【c 】h + b 】 + 砑 式中，k 】- 砑阻11 0 0o r ，称为热应变矩阵；【c 】为柔度矩阵。 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 热应力的求解可以用热弹性位移势法，也可以用热应力函数法，但通常的做法 是设法把热效应化为等效体力与等效面力，从而把热应力问题当作等温弹性问题来 求解。 1 4 善 y ： y 曙 x办巩以锄印红 0 o 0 0 0 + o 2 0 o 0 0 + o o 2 0 0 0 o + 0 o 2 叫叫1 o o o 叫1 叫o o o 1叫叫o o o 江苏大学硕士学位论文 2 5 软件的选择及简介 在本文的研究分析中所使用的相关的工程软件主要是：p r o e n g i n e e r 软件， h y p e r m e s h 软件，a n s y s 软件。 2 5 1p r o e n g in e e r 软件介绍 三维造型软件p r o e n g i n e e r 是由美国参数技术公司p t c ( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i o n ) 开发的c a d 软件，是一个以特征为主的实体模型系统。其功能包括参 数化设计、实体零件、组装造型、模具设计、数控加工等。p r o e n g i n e e r 是一个功 能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋、槽、 倒角和壳体等，采用这些手段来建立实体，对工程师来说更自然、更直观。它的三 维造型功能非常强大，较简单的零件用长、切、挖、旋转、扫描、混合、面等直观 命令来实现。而对一些复杂的零件，用高级功能的变截面扫描、扫描混合、螺旋扫 描等来完成，所有这些设计都成为单一的特征，在任何时候可以更改、重新设计。 2 5 2h y p e r m e s h 软件介绍 a l t a i r 公司开发的h y p e r w o r k s 软件是世界领先、功能强大的c a e 应用软件包， 它集成设计与分析所需的各种工具，具有高度的开发性、灵活性和友好的用户界面。 本课题主要应用的是其中的h y p e r m e s h 功能模块。 h y p e r m e s h 是一个高性能有限元前处理器，在高度交互及可视化的环境下验证 各种设计条件。h y p e r m e s h 的图形用户界面支持直接输入c a d 几何模型和已有的 有限元模型，减少重复性的工作。 h y p e r m e s h 的自动网格划分模块提供给用户一个智能的网格生成工具，同时可 以交互调整每一个曲面或边界的网格参数，包括单元密度、单元长度、网格划分算 法等等。h y p e r m e s h 也可以快速地用高质量的一阶或二阶四面体单元自动划分封闭 的区域，从而提高网格划分的总体速度和质量。 2 5 3a n s y s 软件介绍 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司开发， 它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级 c a d 工具之一。 江苏大学硕士学位论文 a n s y s 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求 解结构、流体、电力、