北京吉普汽车发动机活塞的热力学仿真分析

北京吉普发动机活塞的热力学仿真分析摘要：随着发动机向高速度、高功率，低能耗的方向发展，选用活塞的材料变得尤为重要。到目前为止，普通车用发动机活塞的材料还是以铝合金为主，当然还包括铸铁，陶瓷材料等。活塞被称为发动机的心脏，是发动机动力的源泉，所以活塞的结构设计直接关系到发动机的整体性能（包括其寿命、可靠性、经济性）。作为内燃机的主要受热零部件，承受着周期性变化的热负荷作用，由于它常在高温环境下工作，所以对活塞进行热负荷分析，就可为高温下活塞的热损伤问题提供一定的实验数据。本文采用Pro-e对活塞进行实体建模，然后对其进行简化。导入ANSYS对其施加载荷，并且用该软件对其进行有限元温度场分析，通过结果显示图，直观的了解活塞在工况下温度最高的部位，确定活塞的危险部位，为活塞的优化设计提供一定的理论依据。关键词活塞，Pro-e，ANSYS，温度场，有限元分析IThermodynamicAnalysisonSimulationofBeijingJeepEnginePistonAbstract：Withthedevelopmentoftheenginetowardsthedirectionofthehighspeed,highpower,lowenergyconsumption,selectingmaterialofpistonhasbecomeparticularlyimportant.Sofar,materialoftheordinaryautomobileenginepistonismainlydominatedbyaluminiumalloyandincludes,ofcourse,castiron,ceramicsandothermaterials.Thepiston,whichisthesourceoftheenginepower,iscalledtheheartoftheengine.Sothestructuraldesignofthepistonisdirectlyrelatedtotheoverallperformanceoftheengine(includingitslife,reliabilityandeconomy).Asthemainheatedpartsofinternal-combustionengine,itbearstheperiodicchangeofheatload.Becauseitoftenworksinhightemperatureenvironment,theheatloadanalysisforthepistoncanprovidesomeexperimentaldataforhightemperaturethermaldamageproblems.Inthispaper,thePro-Eisusedtoestablishsolidmodelforthepistonandthensimplifyit.ImportingANSYSisappliedtoload,andusingthesoftwareanalysefiniteelementtemperaturefield.Thedisplay,directlyreflectsthehighesttemperatureofthepistonundertheconditionoftheplace,whichcandeterminethedangerouspositionofthepistonandprovidecertaintheoreticalbasisfortheoptimaldesignofthepiston.Keyword：Piston，Pro-e，ANSYS，thetemperaturefield，thefiniteelementanalysisII目录1绪论.11.1本课题研究的背景及意义.11.2国内外的研究现状.21.3研究或解决的问题以及采用的研究手段.32活塞的建模.42.1Pro-E的简介.42.2活塞建模的具体步骤.62.3活塞的实体模型.173活塞的有限元分析.193.1有限元热分析原理.193.1.1热分析的理论基础.193.1.2温度场控制方程、初始条件和边界条件.203.1.3平均换热系数和平均燃气温度.233.1.4温度场的有限元计算.233.2基于ANSYS的活塞前处理.253.2.1有限元分析软件ANSYS的简介.253.2.2活塞的前处理.253.2.3设定并加载边界条件.283.3对已定义的活塞求解并计算.303.4稳态温度场仿真结果分析.314总结.33参考文献.34致谢.3601绪论1.1本课题研究的背景及意义随着人类文明的进步，科学技术的发展，各种创新成果应用于发动机的设计中，以及人们对物质生活要求的提高、能源危机等众多的原因，对发动机的要求必然是向着高转速、高功率以及低油耗、低排放的方向发展。种种要求会导致发动机的气缸内平均有效压力和最高温度不断增高，最终引起发动机中受热零部件的热负荷显著增加。据不完全统计，因零部件热疲劳损伤而导致的柴油机的重大故障中，占总故障事件的总比例约为11。发动机要想强化，就必须解决其热负荷所带来的一系列问题。所以，在对发动机进行优化设计的时候，必须考虑热负荷，不能单纯的考虑其机械负荷。活塞作为发动机中最重要的零部件，同时还被称为发动机的心脏，承受气体压力并且通过活塞销把气体燃烧后的推力传给连杆机构，为汽车提供源源不断的动力是活塞的主要功能。所以解决活塞的热负荷问题就可以提高发动机的整体性能。活塞的工作环境十分恶劣，顶面要承受瞬变高温燃气的作用，这样就会造成活塞顶部甚至整个活塞体的温度变得相当高，而且温度梯度很大大，这样就会产生很大的热应力，最终致使活塞顶面开裂。所以如果活塞的热强度不能达到发动机在工况下的最强要求时，很容易就会出现一些热损伤现象。在当今社会人们要求日渐提高的情况下，很可能会出现严重的热损伤故障甚至导致整个机体报废。因而，了解活塞温度场的分布是十分必要的，通过对所了解的内容进行分析，然后再对它进行改进，降低活塞的热负荷，才能提高活塞的最高受热能力并且增加它的寿命。迄今为止，随着有限元法数值模拟技术的快速发展，发动机零部件的分析计算也变得不是那么复杂，有限元软件与三维建模软件的有机结合，缩短了发动机产品设计和分析的周期，并且还提高了发动机产品的可靠性和寿命。如今活塞设计开发对有限元分析法的依赖性越来越强，因为它不仅可以为活塞开发设计人员提供便利的手段与方法，还能够为设计人员提供比较详细的活塞温度场的分布。11.2国内外的研究现状从宏观意义上来讲，活塞在工作过程中的热冲击，还有其热疲劳是导致其出现热损伤的主要因素。人们在热负荷方面的研究工作之所以还不深入，主要是因为热负荷自身的特性，包括其不直观性和作用机理的复杂性，随着科学技术的不断进步，近些年来，存在两个主要的研究方向：首先是研究活塞的热传导以及活塞的温度场分布。在现阶段，主要的研究方向是对活塞理论模型的建立、求取该模型的解析解还有数值解。其次最主要的就是活塞温度场分布、由于温度变化引起的热应力的动态响应方面。上个世纪中期，设计人员想把发动机的性能再一次提高，却出现了新的问题，由于热裂、热蚀和热变形等各种热负荷现象的出现，引起发动机各部件的损坏，阻碍了发动机性能的提高，严重威胁到柴油机的热可靠性，这种情况下，科学家才把研究的重点转移到零件的热负荷上。由于当时技术和认知的局限性，人们只是研究发动机在稳态工况下的温度场和应力场分布，从而为以后内燃机稳态传热的研究打下了坚实的基础。在此基础上人们将重点转移到瞬态导热过程，人们想到了一种新的处理方法，准静态处理法，这种方法只侧重力学方面，忽略了温度场方面，治标不治本。而随着对发动机性能要求的提高，准静态处理方法的弊端体现的越来越明显。到了20世纪60年代科研人员已开展热冲击试验的研究，G.Woshni对柴油机两方面做了详细的研究，分别是瞬态传热、热负荷。在英国的一个研究所里面建立了很多试验台，主要是热对流试验台和热传导试验台。这些试验台的主要作用是研究热流的流向分配以及热流的分配。在对新产品的开发和研制的时候，为了节省费用，他首先都要进行热冲击试验。当热冲击试验通不过的时候以后的实验就没有必要进行下去了。20世纪70年代，JCSamuels（一位知名美国研究员）应用了分离变量法，在随机内热源激励的条件下，设计并且分析了平壁线性导热的响应特性曲线，在后来的一些学者中，在他研究成果的基础上，对随机介质中的导热进行了分析，在后来又有学者提出接触导热问题的随机理论模型。在发动机活塞的传热模拟的研究中，经过将尽三十年的的努力发展，国内对该方面的研究有了长足的进步。早在二十世纪末期，中国的姜任秋先生就利用Galerkin法原理，建立了一种有限元分析方程，用以有效地解决轴对称热传导的问题。后来又有人用了与姜任秋先生同样的方法，对建立的模型表面进行2有限元网格划分，并计算其结果，但经过软件分析后有限元网格划分导致网格严重畸形，使得活塞组和运动边界上的计算结果严重失真，因此他们找出了解决问题的方法，将润滑油膜简转化成了热阻网络，这种方法使计算的结果更加接近了实际情况。到两千零五年的时候，王虎与桂长林两位教授，借用COSMOS/M参数化有限元程序语言及Delphi面向对象高级语言，以具体的活塞型号为基础，对活塞有限元的计算分析过程进行了编写程序，定量分析了影响活塞温度场的因素,计算并分析了发动机活塞环岸高度、冷却水温度对温度场的影响，为发动机活塞的改进提供了一定的理论依据。中北大学的一位硕士谢现龙也对活塞的热力学温度场分布做了多年的研究，到2012年的时候，在前辈们努力的基础上，他应用了有限元软件对活塞进行了分析，最终得出结论，稳定热负荷、低频热负荷和高频热负荷是造成发动机活塞热负荷事故的主要三个因素。由于活塞所受到的热负荷主要是稳态热负荷，所以在对活塞进行温度场的分析时，只需考虑稳态温度场。1.3研究或解决的问题以及采用的研究手段（1）研究或解决的问题本课题选取北京吉普汽车发动机活塞为研究对象，分析发动机活塞在工作时的热力学状态，运用计算机仿真软件（ANSYS）进行活塞的热力学分析，得到相应的结果并提出优化策略。（2）拟采用的研究手段1.完成活塞模型的建立，并对其进行简化处理。2.将简化后的模型导入ANSYS中，确定活塞工作情况下的热力学状态，并输入相应的参数。3.设定边界条件，分析并得出结果。32活塞的建模2.1Pro-E的简介Pro/ENGINEER美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation,简称PTC）出品的三维设计软件，是一套由设计至生产全面覆盖的机械自动化软件。到1985年，在美国的一个地方成立了一家PTC公司，该公司主要是对三维建模软件进行参数化的设定，并且逐步对一些零件的运动进行简单的仿真。随后在1988年，最初版本的Pro/ENGINEER，V1.0系统软件在本公司的努力下诞生，经过后人将近三十年的修改与完善，该软件已经一跃成为三维建模软件中的佼佼者。单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念被此公司先后提出，从那以后，就改变了机械CAD/CAM的传统观念，而这些新观念新理论逐渐演变为当今世界机械行业的新标准。Pro/ENGINEER只是PTC家族的成员之一，PTC家族的三大成员是：（1）Pro/ENGINEER；（2）Pro/DESIGNER；（3）Pro/MECHANICA。Pro/E共有六大模块：（1）工业设计（CAID）模块该模块的的应用于以下几个方面，其中包括对产品进行几何设计和几何建模，在产品样式没有确定之前，可以通过设计员所建的模型很直观的展示出来。不仅如此，对于Pro/E后期的各种工作计算数据都必须依赖该模块所设计的数据。其中主要包括：Pro/3DPAINT（3D建模）、Pro/ANIMATE（动画模拟）、Pro/DESIGNER（概念设计）、Pro/NETWORKANIMATOR（网络动画合成）、Pro/PERSPECTA-SKETCH（图片转三维模型）、Pro/PHOTORENDER（图片渲染）几个子模块。（2）机械设计（CAD）模块这部分模块是比较常用的，也是最高效的，是三维设计的主要工具。通过这部分的模块所绘制的零件，可以是很简单的，也可以是非常复杂的，学习该软件的基础就是机械设计模块。很多机械零件以及物体的表面都是不规则的，比如说摩托车的轮毂，类似这些不规则的曲面都被称为自由曲面。随着科学技术的发展，人类文明的进步，人们的需求也在不断的提高，因此，对一些曲面4产品的要求也是越来越高，这样就会使得产品的设计更加困难。然而，这些问题很大一部分都可以通过Pro/E软件来实现，其中主要的方法有拉伸、旋转、放样、扫描、网格、点阵等。这一模块能独立使用，具有高效率的性能，同时还可以与软件的其他模块相结合，它支持GB、ANSI、ISO和JIS等标准。包括Pro/ASSEMBLY（实体装配）、Pro/CABLING（电路设计）、Pro/PIPING（弯管铺设）、Pro/REPORT（应用数据图形显示）、Pro/SCAN-TOOLS（物理模型数据化）、Pro/SURFA（曲面设计）、Pro/WELDING（焊接设计）。（3）功能仿真（CAE）模块该模块主要是对建立的模型进行简单的有限元分析。但是该软件毕竟不是专门的有限元分析软件，所以要进行有限元方面的研究，还必须使用专业的有限元分析软件。因机械零件在使用过程中内部的情况是无法预知的，要想对零件内部的应力分布进行有效的分析，可以采用此模块来进行简单分析，这样就可以在一定的应力条件下，对模型的结构进行优化处理。主要包括Pro/FEM-POST（有限元分析）、Pro/MECHANICACUSTOMLOADS（自定义载荷输入）、Pro/MECHANICAEQUATIONS（第三仿真程序连接）、Pro/MECHANICAMOTION（指定环境下的装配体运动分析）、Pro/MECHANICATHERMAL（热分析）、Pro/MECHANICATIREMODEL（车轮动力仿真）、Pro/MECHANICAVIBRATION（震动分析）、Pro/MESH（有限元网格划分）。（4）制造（CAM）模块这一模块，在机械行业中的应用方向主要是NCMachining(数控加工)。Pro/E的数控模块包括：Pro/CASTING（铸造模具设计）、Pro/MFG（电加工）、Pro/MOLDESIGN（塑料模具设计）、Pro/NC-CHECK（NC仿真）、Pro/NCPOST（CNC程序生成）、Pro/SHEETMETAL（钣金设计）。（5）数据管理（PDM）模块这一模块可以只在计算机中对产品的受力进行模拟仿真，通过仿真后出现的结果，找出使产品出现故障的原因，可以避免人员的伤亡和经济的损失，提前排除造成产品故障的因素，改进产品设计。数据管理模块除了以上那些功能外，还有创建一个关于用户的数据，这些数据都是都是它自动跟踪创立的。同时这些数据都是储存在专门的文件里的。所以也不用担心其安全性，为用户的体验带来极大的方便。其中包括：、（数据管理）、（模型图纸评估）。（6）数据交换（GeometryTranslator）模块5数据交换模块是用来与其他软件进行数据交换的，比如UG、CATIA、EUCLID、CIMATRTION、MDT等。因为在我们的实际工作中，还有着其他的一些软件，由于各个公司对自己所设定的数据程序都不一样，导致互不识别对方的数据，就需要这一模块来解决这个问题，这就是数据交换模块的意义。2.2活塞建模的具体步骤该篇设计论文采用的是北京吉普乘用车装配的汽油机凹顶活塞，活塞的总长是97mm，活塞直径是90mm，火力岸高度3mm,二环高度2mm，油环高度3mm，销控直径32mm，以上为活塞的主要参数，下面将详细介绍活塞三维建模的步骤。（1）选择top面为草绘界面，点击草绘按钮进入草绘界面，先画两条中心线，然后用命令画出一个直径为90mm的圆，如图2.1所示：图2.1草绘出直径90mm的圆（2）用拉伸命令画出长97mm的圆柱，点击建立如图2.2所示的圆柱体：图2.2拉伸出长93mm的圆柱（3）再次选择top平面进行草绘，在此平面内画出如图2.3所示的图，半圆的半径为28mm，连接两个半圆的直线长20mm：6图2.3草会出如图所示的图形（4）用拉伸命令和去除材料命令，拉伸65mm，效果图如图2.4：图2.4去除材料后的三维图（5）进入top界面进行草绘，草绘直径为82mm的圆，确定并且进行拉伸13mm，使用切除，切除后如图2.5所示：图2.5切除内腔（6）进入top界面点击草绘，草绘如下图2.6黄线所示的图案：7图2.6活塞裙部（7）对图2.6中的图形进行拉伸11mm，然后切除，得到模型如2.7所示：图2.7切除后图形（8）建立新的参考平面DTM1，用平面命令，以Top面为基准向默认方向平移59mm。（注：在之后的工作平面建立都和此相同）结果如图2.8所示：图2.8建立新的参考平面DTM1(9)新建一个新的基准轴，点击选择DTM1和FRONT两个平面的交线作为新的基准轴，如图2.9所示：8图2.9新建基准轴（10）选择FRONT平面内草绘，以DTM1与中线的交点为圆心，做出一个直径为32的圆，拉伸并且去除材料，拉伸是两边同时拉伸，点击图标，拉伸长度为105，去除材料后如图2.10图2.10活塞销控的建立（11）再次建立一个基准平面DTM2,以FRONT为基准，向默认方向平移17mm，如图2.11所示图2.11建立基准平面DTM2（12）在新建基准平面内进行草绘，草绘如下图2.12黄色线所示的图形：9图2.12草绘活塞销座图形（13）拉伸11mm，然后以FRONT为基准面进行镜像得到模型如图2.13：图2.13活塞销座建立（14）新建基准平面DTM3，以活塞顶面为基准，向活塞裙部方向平移7mm如图2.14所示图2.14新建基准平面DTM3（15）在新建基准平面DTM3中草绘圆环，内圆直径为82mm，外圆直径为90mm，确定后拉伸3mm，建立活塞的第一气环槽，如图2.15：10图2.15活塞的第一道气环槽（16）再次以活塞顶面为基准，用同样的方法建立新的基准平面DTM4如下图2.16所示：图2.16新建基准平面DTM4（17）在新建基准平面内草绘同样的圆环，确定后再进行拉伸，拉伸长度为2mm，如图2.17：图2.17第二道气环槽的建立（18）用同样的方法建立活塞的油环槽，拉伸长度及油环槽的宽度为3mm，最终将活塞的所有环槽建立完全，得到图2.18所示的模型：11图2.18活塞环槽的建立（19）在新建基准平面DTM5中草绘圆环，外圆直径90mm，内圆直径88mm，如图所示：图2.19草绘圆环（20）对上图2.19草绘图形拉伸1mm，点击确定。然后点击对油环槽进行倒角，最终得到如图2.20所示的模型：45图2.20油环槽的倒角（21）为做出活塞油环槽内的泄油孔，需建立三个新的辅助基准平面，第12一个DTM6，点击基准平面工具出现对话框，选取RIGHT为基准平面，在选择该平面的基准轴，旋转得到基准平面DTM6；然后以新建的基准平面17DTM6为基准，同样的操作，旋转得到基准平面DTM7；最后再以DTM790为基准，向该平面法向方向平移45mm，建立DTM8。最终建立三个基准平面，分别如下图2.21所示图2.21活塞基准平面DTM6,7,8的建立（22）在新建平面DTM8上草绘直径为3mm的圆，然后拉伸6mm，去除材料，然后镜像，最终得到图2.22的模型：13图2.22活塞泄油孔的建立（23）为建立活塞销孔卡环槽，需建立新的基准平面DTM9,该平面的建立是以FRONT为基准，向默认方向平移40mm建立，如图2.23：图2.23建立基准平面（24）在新建立的基准平面内做出以活塞销孔中心为圆心，直径为36mm的圆，并进行拉伸，拉伸长度是2mm，然后去除材料，并且镜像，最终得到活塞新模型如图2.24：14图2.24活塞销孔卡环槽的建立（25）在基准平面DTM9中，画出以偏移活塞轴向的直线与活塞销孔45圆的交点为圆心，5mm为半径的圆，拉伸12mm，并且去除材料，然后镜像，最终得到活塞模型如图2.25：图2.25（26）建立活塞顶部，需要新建三个新的基准平面，一个基准轴。首先以FRONGT为基准向默认方向旋转建立DTM10；然后以DTM10为基准，旋45转建立基准平面DTM11；以DTM11为基准平面，向默认方向平移5mm，90得到DTM12；最后以DTM10和DTM12的交线建立新的基准轴，它们分别如下图2.26所示：15图2.26三个基准平面和基准轴的建立（27）在新建基准平面DTM12内草绘如下图2.27所示的封闭图形，点击确定：16图2.27草绘顶部部分轮廓（28）点击旋转按钮，旋转，去除材料，并且倒圆角，得到活塞模360型如图2.28：图2.28建立活塞顶部燃烧室（29）对活塞进行倒角，点击倒圆角图标选取要倒角的部分，半径为3mm。2.3活塞的实体模型北京现代汽车发动机活塞的实体模型如图2.29a和2.29b所示17图2.29a图2.29b（1）活塞实体模型在建立过程中参照具体的实物稍作简化：1.省略泄油孔。因为泄油孔在后期的分析中不会影响数据结果。2.省略活塞中的小倒角。因为在后期的分析中不会影响数据结果，并且小倒角的存在会使后期模型导入ANSYS中时出现错误的特征面。（2）保存模型模型绘制完成后，选主菜单中的文件项，在弹出的下拉菜单中选保存副本命令，在弹出的对话框中将拓展名由*.prt改为*.igs的IGES文件。在后期的分析时只要将IGES文件导入ANSYS软件就完成了分析的第一步。183活塞的有限元分析3.1有限元热分析原理随着有限元法在计算机中的应用，一些相对比较复杂的机械零件所受的应力与温度场，可以采用将整体进行离散化，对各个单元进行分析，最终通过计算机进行汇总，数据模拟仿真技术推动了现代机械工程学的发展。有限元法是数据模拟仿真技术中应用最多也是最广泛的方法，本课题研究的活塞模型就是应用的该方法。有限元法在工程在机械工程领域中的能有效解决材料的结构问题，还能够解决材料在工作中的传热，还有流体动力学，电磁学和声学等领域，所应用的范围比较广泛。大多数的有限元的分析程序，能够合理的将有限元分析，计算机图形学和图形的优化技术有机结合，对各种零件的分析更加的系统与具体化，通过对产品设计的分析，对设计提出合理的改进措施，从而提高产品的性能，通过分析结果，设计师可以节省很多的时间，最终增加了该产品的市场竞争力。利用有限元法进行温度场分析的基本思想是：把一个完整的物体进行分割，也就是所谓的离散化，但每个单元都是用节点相连接，通过所划分的有限个单元，建立与产品相类似的泛函叠加函数，通过实验总结计算，最终得到整个结构的泛函，在不同温度情况下，最终使用求泛函数高周期热冲击（正常稳定工况）值的方法，得到一组方程组，未知数就是节点上的温度，通过解方程组，最终求得节点的温度值，达到最终的目的。本文研究的发动机活塞在工作过程中温度场的分布是保持不变的（除了与燃气室直接接触的活塞顶部表面），所以对其研究时只用稳态热分析。稳态热分析的含义就是零部件在工作的过程中温度场的分布保持不变。发动机在工作时，活塞的热力主要是从燃气经活塞顶部、缸套与燃气接触部分流入的热量，这些热量与从冷却油、冷却水等地方散出的热量是相等的。活塞在工作过程中的热量大都来自燃气与受热零部件的对流换热、辐射传热，受热零部件内部的传热遵循傅立叶定律，由于活塞的热量都来自于外部，所以它的热分析是个无内热源的稳态热分析问题。193.1.1热分析的理论基础（1）热传导傅立叶定律傅立叶定律是导热理论的基础，它的向量表达式如下：（3.1）qgradT(3.1)式中：q为热流密度，是一个向量，单位：2Wm为材料的导热系数，做常数处理，单位2/()kA称为温度梯度，也是一个向量，单位:gradTK式中的负号表示q的方向始终与相反，(3.1)式在数学场论中利用梯gradT度和散度的向量形式推导导热微分方程式非常地方便,它的分量形式是:（3.2）xyznqTq式中为物体任意边界处的外法线方向向量。从（3.2）式中可以看出，当梯度分量的方向与x轴相反Tx（为负值）时，得正值说明与x轴同方向；反之，与x轴TxxqqT同方向时，得负值，即热流与x轴反方向。（2）对流换热牛顿公式按牛顿公式对流换热的热流密度的计算公式为：（3.3）cwfqhT式中：q对流热流密度，单位；2Wmh表面对流换热系数，单位；kA固体的平均温度，单位K；w流体表面的温度，单位K。fT3.1.2温度场控制方程、初始条件和边界条件（1）温度场控制方程由能量守恒定律来建立温度场控制方程，即在单位时间内，物体内任一微20元体由于温度升高所需要的热量等于外部传入的热量与内部热源提供的热量之和，其数学表达式为：（3.5）chsTdQd则瞬态温度场的控制方程为：（3.6）22shTqCxyzt式中为导热系数，C为材料的比热，单位J/(km3)；为温度随时间的变化率。而对于稳态温度场的情况下，因此其温度场控制方程变为：=0（3.7）22shTqxyz（2）初始条件和边界条件对于瞬态温度场不仅要给边界条件，还要给初始条件，这样才能由通解中找出具体问题的特解。而对于稳态温度场则只需有边界条件就可以了。1）初始条件初始条件是初始时刻温度场的分布状况，一般情况下：（3.8）,|tnTxyz2）边界条件边界条件描述的是温度场在边界上的状况，由温度场连续性条件方程得出的边界条件一般有三类。第一类边界条件（刚性边界条件）若温度场某部分边界Sl上的任意点处各个时刻的温度已知，则称为第一类边界条件，可表示为：（3.9）1,TMtSt式中：时刻t、点的温度；边界上给定的已知函数;,t边界上的点。第二类边界条件(自然边界条件热传导条件)若温度场的某部分边界S2上任一点处，各个时刻的法向传导热流密度。2,sqMt21已知，则由傅里叶假设有：（3.10）2,SnMsTqt式中：沿边界法线方向的导热系数；温度场沿边界法线方向的梯度值；n边界上的点。2S第三类边界条件(自然边界条件对流换热边界条件)温度场的某部分边界Sc上任一点处，各个时刻的对流条件已知，则由牛顿公式，从周围介质导入温度场内的热流密度为：(3.11),scfscqMthT式中：从周围介质导入温度场内的热流密度；h对流系数；周围流体的温度；fT温度场边界部分的温度。sccS据傅里叶假设，热流密度又与温度梯度成正比，所以，在边界Sc上应有：(3.12)2,SnMscfscTqthT本文在对EA113型汽油机的活塞温度场进行计算时，活塞边界为第三类边界条件，换热系数h和介质温度（燃气温度）Tf根据试验实测温度和模拟计算结果估计。则其传热方程为：(3.13)220Txyz(3.14)sfsn对应的泛函公式为：2222jTTJvdxyzshTdsxyz式中：为导热系数，；2WmkA为对流换热系数，；h22为环境温度;fTS为活塞或气缸盖边界。划分单元的泛函表达为：(3.15)2222cvscfTTJdxyzhTdsxyz活塞总泛函为：(3.16)2222cvscfTTJdxyzhTdsxyz泛函数取极值的条件为：(3.17)0ciiJT1,23.in式中，为单元与整体边界重合部分，为节点总数。c3.1.3平均换热系数和平均燃气温度平均换热系数：燃气的平均换热系数需通过瞬时换热系数导出，如下：(3.18)32.1gmahvPT用瞬时换热系数式（3.20）导出平均换热系数公式，如下：(3.19)360mgd平均燃气温度:(3.20)3600gmhTd式中：为活塞平均速度，m/s；v分别为燃气的瞬时压力和温度，可由热力计算求得。,aPT3.1.4温度场的有限元计算进行有限分析的基本方法就是将一个连续的弹性体进行离散化，然后分解成单个的有限的单元个体，接着对单个的单元进行分析，结构的形变用节点的23位移来表示，再建立整个结构总位能关于结构位移的表达式，根据变分原理可以得到以节点位移为未知数的大型线性方程组，用消元法或迭代法，利用数学近似值法求出节点的位移值，再利用公式变化进一步可求出各节点的应力值。这种以有限的单元代替连续的弹性体的先分开后结合的方法，这就是有限元法的基本思想。（1）本文主要研究活塞的热负荷问题，根据其圆柱的外形，需要将导热微分方程式由直角坐标变为圆柱坐标，如图3.1所示：图3.1直角坐标变为圆柱坐标设cos,in,XrYrZttxyxtrt所以22222trttrttxxxx22222tttttyryryy其中,22sincoscos,i,incos1xx代入导热微分方程求出无内热源圆柱坐标系的三维稳态温度场的导热微分方程（3.21）2210ttrrz243.2基于ANSYS的活塞前处理3.2.1有限元分析软件ANSYS的简介ANSYS是由美国ANSYS公司开发的，一九七一年，由美国匹茨堡大学的JohnSwanson博士创建，该公司总部位于就位于当地。该软件在分析结构、磁场、电场、声场、流体、方面是目前世界最专业的。目前世界上CAE行业最大的公司就是美国ANSYS公司。ANSYS以端口对接的形式来完成与CAD数据信息的转换与共享，该毕业设计主要就就是用Pro/Engineer跟ANSYS软件端口对接来进行运动学仿真设计。该课题涉及到的ANSYS是现代产品设计分析顶级CAE工具之一。ANSYS是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）编写的参数分析软件，是一套由产品的分析设计到生产制造的自动化机械软件。ANSYS有限元软件包是用计算机设计程序编写的多用途参数化软件，通过参数我们可以用来解觉电磁场、声场、结构、流体、以及碰撞等问题。1软件主要包括三个部分：1).前处理模块简单的说，在前处理模块我们可以根据参数来建立自己想要的实体模型。2).分析计算模块ANSYS的分析计算模块就是通过对实体模型给予一定的或是不定的变量，ANSYS就通过计算模块向用户反映出模型参数或是结构变化的趋势。3).后处理模块后处理模块主要将分析计算模块分析出的信息以我们容易理解的形式表现出来，真正实现分析结果的直观化。2.ANSYS软件具备的分析类型：1.结构静力分析2.结构动力学分析3结构非线性分析4动力学分析5热分析6电磁场7流体动力学分析8声场分析9压电分析3.2.2活塞的前处理(1)将已经建立好的活塞模型导入ANSYS软件25打开ANSYS软件，依次点击UtilityMenuFileImportIGES,这时会出现如图3.2所示的对话框，点击OK。然后在弹出的ImportIGESfile对话框（图3.3）内点击Browse,然后选择用Pro-e建模保存的*.igs格式的文件，单击OK，图形即被导入ANSYS中，如图3.4。图3.2模型导入第一步图3.3模型导入第二步图3.4成功导入ANSYS中的文件26（2）活塞网格划分将要划分模型的单元类型设置为八节点六面体单元，如图3.5。精度等级四级，采用智能网格划分，划分结果如图3.6a，3.6b所示。图3.5活塞单元类型图3.6a活塞外部图3.6b活塞内部（3）定义活塞材料物理特性活塞采用硅铝合金材料，其物性参数为：密度=2730Kg/m3,导热系数=163w/(mk),比热容C=902J/(Kgk)，弹性模量E=71010Pa，泊松比=0.3，热膨胀系数=1.59105m/mk。将此参数逐个输入软件。点击MainMenu:PreprocessorMaterialPropsMaterialModelsStructuralLinearElasticIsotropic，如图3.7，在EX中填写7.0e10（弹性模量），在PRXY里填写0.3（弹性模量）。再依次点击MainMenu:PreprocessorMaterialPropsMaterialModelsThermalConductivityIsotropic,如图3.8，在KXX里填写163（导热系数）。这里只做这三种属性的输入步骤，其他属性的输入不一一介绍。27图3.7输入弹性模量和泊松比图3.8输入导热系数3.2.3设定并加载边界条件（1）温度的确定在参考了众多的论文和相关文献后，依据活塞的型号和使用场所，对其设定相应的边界条件，所设边界条件如下表3.1所示表3.1活塞各部位的边界条件活塞部位环境温度换热系数顶部650489气环区180250油环区160300活塞销孔140270上部140300裙部下部9039028（2）加载边界条件定义热负荷的类型，MainMenuSolutionAnalysisTypeSteady-State（稳态热分析）。首先选择要定义的活塞表面和节点，点击UtilityMenuSelectEntities,弹出对话框，分别拾取Areas,ByNumber/Pick,FromFull,然后点击ok，弹出新的对话框，拾取要定义的平面，点击ok，如图3.9所示。然后定义单元节点，点击SelectEntities，弹出对话框，分别拾取Nodes,Attachedto,FromFull，选择ok。如图3.910。最后定义载荷，MainMenuSolutionDfineloadsApplyThermalConvectionOnNodes,弹出对话框，在Filmcoefficient后面设置换热系数，在Bulktemperature后面设置环境温度，设置完成后点击OK，如图3.11a，3.11b。以同样的方法，在需要加载的位置进行加载。图3.9拾取活塞燃烧室顶面图3.10定义单元节点29图3.11a定义载荷图3.11b定义后的图形（4）活塞的其他区域的载荷定义用同样的方法，将整个活塞的区域都加载。3.3对已定义的活塞求解并计算（1）首先进行计算前设置，点击MainMenuSolutionLoadStepOptsOutputCtrlsSoluPrintout,然后在Itemforprintoutcontrol里选择Basicquantities,在Printfrequency中选择Everysubstep，点击OK。（2）最终求解，MainMenuSolutionSolveCurrentLS，弹出一个对话框，点击OK，得到结果如图3.12图3.12分析后的结果（3）显示最终结果，温度分布彩云图，依次点击MainMenuGeneral30PostprocPlotResultsContourPlotNodalSolu，在弹出的对话框中，点击DofSolution,选择NodalTemperature,然后点击OK，得到图3.13图3.13温度分布彩云图3.4稳态温度场仿真结果分析根据温度分布彩云图可以看到，活塞在工作过程中，它的最高温度是650；活塞的第一环区（最接近燃气室的环槽）温度在150338，最低温度时90，出现在活塞的裙部（1）活塞工作过程中的最高温度出现在活塞顶面，是因为顶面是与高温燃气直接接触的地方，由于它工作环境的恶劣，必须对它的结构做一定的处理，即在燃烧室的边界上倒半径合适的圆角，这样才能降低由于温度过高而引起的应力集中和灼烧现象的发生。（2）由温度分布彩云图可以看出，活塞的温度分布由顶面向裙部温度逐渐降低，最高温度可达600多摄氏度，最低达到90摄氏度，温度梯度很大，造成这一现象的主要因素是燃气瞬间燃烧后的温度与活塞自身温度的差距很大，而传热并不能瞬间完成，而且活塞本身的结构以及不同部位的厚度各不相同，最终导致了这一结果。（3）活塞环区的温度对活塞的寿命有很大的影响，假如油环区的温度过高，31那么润滑油将会碳化，最终导致活塞环与气缸粘结，出现卡槽，严重时将造成发动机气缸套擦伤，甚至拉缸。活塞第一环槽一般的工作温度在150300，本文分析的活塞温度在正常范围之内。（4）由于活塞在工况下会出现较大的温度差，为了减小温度差所造成的不良后果，就必须要考虑活塞的材料，活塞的结构，通过改变这些来提高它的抗热性，以免活塞的变形过大。（5）发动机在启动时，由于活塞出现温度差，为降低温度差所用的时间减少，所以发动机在冷却启动时，需要充分的预热，不能直接进行大负荷的运转，以免造成活塞严重热蚀和热变形。324总结活塞是发动机中工作环境最恶劣的部件之一，它不仅仅与高温燃气直接接触，还作为发动机的动力输出，承受着相对较大的热负荷和机械负荷，这样就会造成活塞的变形，变形就会导致发动机工作失常。随着对发动机性能要求的提高，对其温度场的分析变得十分必要。本文主要通过对具体活塞进行测量，然后用Pro-e对其三维建模并简化。导入ANSYS中，对其在工况下的温度场进行仿真分析。（1）通过对活塞的温度场分析，得出活塞在工况下的温度值最高的部位，处于与燃烧室直接接触的顶部以及第一火力岸（活塞第一气环槽），但在允许范围之内。（2）利用有限元软件ANSYS对活塞进行预先评估，为活塞的优化设计提供了一定的理论基础，节省了大量的时间，缩短了研究的周期。通过本次设计，让我对三维建模软件Pro-e和有限元分析软件ANSYS有了一定的了解，还对活塞的结构以及其在工况下的温度场分布都有了解。但由于本人能力的有限以及时间的限制，设计之中还有一些不足之处，比如，活塞