内燃机活塞温度场分析_温剑武

1、2012年第2期内燃机与配件内燃机活塞温度场分析Temperature Field Analysis of Combustion Engine Piston温剑武董小瑞王晓辉王强(中北大学摘要建立了二分之一活塞模型,应用HyperMesh软件对模型进行了网格划分,计算了活塞的温度场,为活塞的结构改进和优化提供了理论依据。关键词活塞HyperMesh温度场Key words:Piston HyperMesh Temperature field1概述内燃机在工作过程中,活塞不仅承受着周期性的机械负荷,还承受着高温的热负荷。现代内燃机不断向强化、增压、高升功率等方向发展,而伴随着内燃机转速和功率的增

2、大,必然导致活塞热负荷的增加。活塞作为发动机的关键部件,能否解决热负荷问题是提高整机技术水平的关键,直接影响内燃机的工作可靠性和耐久性。而确定活塞温度场分布是解决所有计算活塞热负荷问题的基础工作1。2活塞模型的建立本文所分析的活塞是一个组合式的活塞,通过螺栓将活塞头和活塞体紧固在一起。燃烧室为凹坑形状,位于活塞顶部的中央。本文所采用的活塞模型有如下几个特点:(1本文所用活塞模型冷却方式为冷却腔和震荡冷却的复合冷却方式。(2活塞的冷却油腔是重要的冷却通道,建模时需要认真分析,如实建模。(3由于本身活塞的形状是很复杂的,在不影响分析准确度的前提下,对活塞建模进行了一定程度的简化,如倒角和倒圆等。(

3、4由于建立的活塞模型是一个对称体,考虑到计算的效率问题,本文建立了二分之一的模型。所建立的模型如图1所示。3有限元网格的划分HyperMesh是目前应用最广泛的前处理软件,它主要用于汽车行业,已经成为全球汽车行业的标准配置。本文应用HyperMesh软件对模型进行网格的划分,第一步工作是几何清理。由于距离非常近的曲线或尺寸非常小的曲线在划分有限元网格的时候会在局部生成尺寸非常小的网格或照成网格尺寸变化剧烈,影响网格质量。为此可以利用Hy-perMesh的曲线或边的抑制功能,将距离非常近的曲线中的一条和尺寸非常小的曲线抑制掉。被抑制的曲线或边在划分有限元网格的时候就不会再生成节点2。图1活塞模型

4、一般来说,将有限元单元划分的越小,计算精度就会越高,但是单元数量会受限于计算机资源3。所以网格的划分既要保证计算的精度,又不能耗费过多的计算时间。但是为了保证计算精度,需要在活塞形状复杂和温度变化剧烈的地方对网格进行加密。活塞头部的温度梯度是最大的,所以本文在划分网格时对活塞的头部的网格进行了加密。共产生了18760个节点,10849个单元。图2为模型的有限元网格图。4活塞温度场计算4.1活塞传热边界条件的确定取得一个符合实际工况的热边界条件,是进行活塞温度场计算的关键,它决定了结果的正确与4否。经过参考大量相关资料,本文采用第三类边界条件和相关的经验及半经验公式进行计算。图2活塞有限元网格模

5、型活塞与燃气的热交换是一个瞬态的过程,瞬时换热系数采用经典的G.Eichelberg 公式进行计算:g =K 0C m 3姨×P g T g 姨。公式中K 0表示修正系数,它的值是一个常数,C m 表示活塞的平均速度,P g 表示燃气的瞬时压力,T g 是燃气瞬时温度。在一个循环中,燃气对活塞顶部的平均放热系数可以用积分平均值求得:gm =1720360°-360°乙g d ,燃气平均温度为:T gm =1720360°-360°乙gd 。燃气热量由活塞顶部吸收,经过活塞环、油膜、气膜、缸壁传向冷却液。求解公式为:坠=(a 1+b 2+c 3+

6、1w本文采用的活塞模型是震荡冷却油腔,一般采用由管流试验数据综合的经验公式:N uf =0.495R 0.57ef D*0.24P 0.29rf ,D*=D b活塞内腔的换热系数由公式h oi =(T 1-T 2k (T 1-T oi 来确定,T 1,T 2,T oi ,分别是活塞温度、活塞内腔底部温度和曲轴箱气体温度,k 和表示的是活塞的导热系数和活塞顶厚度4,5。4.2活塞温度场的计算由于在实际工况下,活塞的温度波动仅在表面2mm 以内起作用,而在2mm 以下,温度基本就是稳定的。所以,活塞的传热分析可以按稳态处理。将模型导入ANSYS 软件中,经过分析计算,可以得到如下的活塞温度场分布图

7、:图3活塞温度场分布图从图3可以看出,温度最高的部位在活塞顶部和燃烧室内侧的凸台上,温度由顶部向裙部逐渐降低。整个活塞燃烧室的温度还是较高的,由于有冷却腔和震荡油腔的作用,活塞环槽冷却效果较好。5小结(1活塞的最高温度在活塞顶面燃烧室的边缘位置,所以要在燃烧室的边缘位置要有合适的倒角,以防止热应力集中和烧蚀现象的出现。(2有冷却腔和震荡油腔的活塞冷却效果更佳。(3组合式活塞由于可以采用顶部导热系数小,而裙部和内腔系数大的的材料可以有效的降低活塞的温度。参考文献2马迅,赵刚.发动机活塞的热结构耦合分析J.机械设计与制造,2005,(11:124-1263楼狄明,张志颖,王礼丽.机车柴油机组合活塞的换热边界条件及热负荷J.同济大学学报,2005,33(5:6-84邵建旺,杜爱民,田永祥.汽油机活塞的热应力分析.J.科技信