【发动机活塞活塞热力耦合分析案例4200字】

发动机活塞活塞热力耦合分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u16822发动机活塞活塞热力耦合分析案例 1301141.1发动机活塞耦合场分析概述 1282761.2活塞热边界条件 2117551.3活塞温度场有限元结果分析 3314071.4耦合分析边界的确定 461731.1.1活塞所受气体压力 513011.1.2活塞往复惯性力 6156341.1.3约束条件 6277411.5热力耦合分析 773951.5.1热力耦合作用下活塞的应力分析 7172951.5.2热力耦合作用下活塞的形变分析 832011.6小结 91.1发动机活塞耦合场分析概述耦合场分析是指在进行有限元分析的过程中被分析的对象受到两个及两个以上不同学科的相互影响。当一个物体受到两种不同工况的作用时且在不同的工况下对物体都有影响时，就有必要对该物体进行耦合分析。通常进行耦合分析主要有直接耦合法和间接耦合法两种方法。利用直接耦合法进行分析虽然只有一个分析的过程，但是在这个过程中包含了多个物理场和自由度的耦合单位，要对必要物理量的单位矩阵或者载荷矢量的计算方式来对其进行耦合。间接耦合方法通常主要包含两个或者多个按一定次数顺序编码排列的物理场分析,每一个都属于特定的物理场分析。一般都说就是把前一个模型分析出的结果当做载荷被施加在后一个模型中,进而完成对应的耦合模型分析。而对于多场的相互作用且非线性程度不高的情况下我们使用间接耦合法会比传统的直接耦合法更为有效一些，也更为灵活，这主要是我们再进行耦合分析时各个过程的分析都是相互独立的。而当多个物理场之间的交换相互作用时就存在一种高度非线性,这时在我们进行耦合式分析时,直接耦合方法将会具有某种优势。对于一个非线性的问题,矩阵方法与载荷向量耦合的方法都必须要经过迭代。利用直接耦合方法进行耦合分析时，运用一些特殊的耦合单元来直接求解耦合场之间的相互作用。1.2活塞热边界条件根据荆碧舟【8】对4102柴油发动机的温度测试，基于相近的原则将该柴油发动机测得的温度载荷以及换热系数通过ANSYS的热分析模块加载到本文所研究的4100柴油机活塞模型上。该发动机活塞热边界条件如下表所示：表4-1活塞热边界条件活塞部位换热系数（w/(m温度（℃）活塞顶部燃烧室3751300活塞顶面1861300活塞火力岸694200第一环槽上侧面1070194内环面157190下侧面1939185第一环下环岸444180第二环槽上侧面1165170内环面158166下侧面1165163第二环下环岸447160第三环槽上侧面996150内环面194146下侧面993142活塞裙部447100活塞底部85090活塞内腔顶部1000100活塞内腔中部85096将以上条件通过ANSYSWorkbench软件中的Steady-StateThermal模块使用对流载荷加载到相应面位置上，对流载荷的加载情况如图所示：图4-1活塞载荷加载情况1.3活塞温度场有限元结果分析根据上一节表4-1的换热系数和温度，在活塞有限元模型对应的位置加上相应的对流载荷后，在ANSYS软件中得到温度场仿真结果。图4-2活塞表面温度分布图图4-3活塞剖面温度分布图整个活塞的温度分布十分不均匀，温度差异变化比较大。接近活塞燃烧室中心喷油器下方的位置出现整个活塞的最高温度为259.27℃，因为这个位置与高温的燃气直接接触，出现最高的温度是必然的结果；活塞的最低温度为106.86℃，出现在活塞裙部的底部位置，这个位置有足够冷却油而且受顶部燃气温度的影响较小，最高温度和最低温度二者之间的温差达到152.41℃。活塞顶部和燃烧室的温度分布不均匀，温度从活塞燃烧室中心到活塞燃烧室底部边缘位置呈递减的趋势，最高温度由燃烧室中心的259.27℃往边缘位置扩散递减，因为燃烧室底部边缘位置下方有冷却油路对其进行冷却，而且喷油嘴不断向燃烧室喷射冷油，燃油燃烧不充分在燃烧室底部边缘堆积也起到了一定的冷却效果。活塞顶面最低温度为237.36℃出现在远离燃烧室中心的边缘位置。而靠近活塞燃烧室中心位置的边缘位置温度较高，该处温度为246.65℃。活塞火力岸在靠近活塞燃烧室中心值一侧温度与远离活塞燃烧室中心一侧温度有明显的差异，最高温度出现在靠近活塞燃烧室中心位置一侧为245.34℃出现在火力岸与活塞顶面的连接处，而远离燃烧室中心一侧的最低温度为226.42℃，出现在第一环槽上侧面与远离远离燃烧室中心一侧火力岸的连接处。活塞其余环槽及环岸温度基本均匀，因为第一环槽较为靠近燃烧室所以其温度较高，最高温度出现在第一环槽上侧面靠近燃烧室处，这个位置的温度为221.47℃；第三环槽下侧面油孔周围与裙部连接处温度较低为165.6℃，因为该部位不仅远离燃烧室而且有冷却油对其进行冷却。活塞裙部和活塞内腔温度分布较为均匀，活塞内腔顶部除外。活塞内腔的最高温度出现在靠近第三环槽下沿的的位置为160.21℃，最低温度出现在活塞裙部底部位置为106.86℃。活塞内腔顶部的最高温度为217.7℃出现在活塞内腔顶部中心位置，最低温度为176.14℃出现在两侧油孔位置。由于燃烧室中心位置与内腔顶部中心位置之间的厚度较薄不能及时冷却所以造成温度较高的情况，反观油孔附近有冷却油液对其周围进行及时冷却所以温度较低，因此导致活塞内腔顶部温度温差较大。1.4耦合分析边界的确定活塞热力耦合分析的边界条件包括温度边界条件、力学边界条件和位移约束边界条件。本文将上一节的温度场结果作为热力耦合分析的温度边界条件。活塞在工作过程中主要受气体的压力以及活塞自身的往复惯性力，本文仅将活塞活塞视为作直线运动，不考虑活塞受到的侧推力。本文根据发动机已知的参数对活塞所受到气体压力以及自身的往复惯性力进行计算。1.1.1活塞所受气体压力根据第二章已知的发动机参数，可以对作用在活塞上的平均有效气体压力进行计算，再根据平均有效压力与最大气体压力的关系计算出作用在活塞顶面的气体压力：Vs式中，VSD——直径为100mm；S——活塞行程105mm；经计算VSPme式中，PmeNeVSi——气缸数4；n——额定转速3200r/min；代入（4-1）中所得VS，经计算PPmax式中，Pmaxμ——关系系数13.1；代入（4-2）中所得Pme，经计算P在发动机标定工况下，活塞顶部受到最大压力Pmax沿轴线向下，火力岸受到最大压力Pmax指向圆心，第一环槽上侧面受到最大压力Pmax沿轴线向上。第一环槽内侧面受到的压力为0.76Pmax指向圆心，第一环槽下侧面受到的压力为0.76Pmax沿轴线向下，第一环岸受到的压力为0.25Pmax指向圆心。第二环槽上侧面受到的压力为0.251.1.2活塞往复惯性力在仿真过程中，施加在活塞整体上的是活塞的加速度，而活塞往复惯性力的方向与活塞加速度的方向相反。基于相近原则本文参考荆碧舟在研究4102柴油发动机时在标定工况下发动机受最大压力时其曲轴转角φ为365°。a=rω2式中，a——活塞加速度；r——曲轴半径52.5mm；γ——l/r；(4-5）式中，l——连杆长度175mm；则γ为3.33;ω——2πn则ω为335rad/s;将数据代入(4-4），经计算a=25175.86m/1.1.3约束条件在ANSYSworkbench中有许多约束条件根据活塞的实际工况顶部仅仅接触燃气，其可以自由运动，活塞与缸套接触的外表面在仿真分析中对其进行圆柱约束并允许其轴向运动，活塞销孔处因为有活塞销的存在也加上圆柱约束。因为活塞与缸套之间有足够的润滑，所以接触约束本文不考虑在仿真过程中。将约束条件加载到活塞模型上如图所示：图4-4活塞受力及约束情况1.5热力耦合分析在有限元软件条件加载栏中加载全部的边界条件，得到活塞在受温度载荷和机械载荷共同作用下出现的等效应力分布情况和出现的形变情况。1.5.1热力耦合作用下活塞的应力分析图4-5热力耦合作用下活塞的应力分布图4-6热力耦合作用下活塞的应力分布剖面图在热力耦合作用下可以看出活塞的应力分布很不均匀，活塞燃烧室底部边缘位置出现了应力集中，最大应力值达到649.82MPa。这是由于活塞燃烧室中心位置直接接触高温气造成中心位置温度较高而且燃烧室喉口处温度也较高二者应力值范围410.45~490.24MPa之间，而底部边缘位置在不断的冷油喷射过程中燃烧不充分有冷油堆积具有一定的冷却效果造成该处温度较低应力值范围在493.75~649.82MPa之间。在活塞内腔顶部与活塞销座连接处也有接近于燃烧室底部边缘位置的应力，由于内腔有冷却油的存在能快速带走热量，内腔顶部与燃烧室距离较近热传递快不易带走热量。这两处应力集中都是由于温度差异较大而产生了较大的热应力。活塞顶面靠近燃烧室喉口周围有较大的应力，应力值范围在409.69~331.46MPa之间，顶面其余部分应力范围在330.66~253.84MPa之间。活塞除了第三环槽外应力分布较大，应力值范围在253.71~332.49MPa之间，环岸边缘出现应力集中，该区域受燃气热载荷作用，温度差异较大所以产生较大的热应力。第三环槽与活塞裙部产生的应力不大，应力在250.88MPa之下。因为第三环槽与裙部都能在冷却油的作用下带走热量起到冷却的作用，因此温度差异不大产生的热应力就偏小。活塞销孔在温度差异不大的情况下产生了较大的应力，位于靠活塞内腔上侧边缘处，该处最大应力值为315.13MPa，该处出现较大应力的原因是活塞往复惯性力的作用。1.5.2热力耦合作用下活塞的形变分析图4-7热力耦合作用下活塞的形变分布图4-8热力耦合作用下活塞的形变分布剖视图从活塞在热力耦合作用下的有限元软件分析结果来看，活塞顶面出现了较大的形变尤其是边缘位置与火力岸连接处出现了最大的形变，最大形变值为0.267mm。因此活塞与气缸壁之间的配合间隙要足够应对活塞产生的形变，以避免活塞在长期运行时出现拉缸的现象。活塞顶部其余位置的形变量在0.152~0.248mm的范围内。从活塞顶部的形变来看，活塞顶部是整体向上且径向膨胀的趋势。活塞各环槽、环岸的形变量差异较大，形变范围在0.06~0.247mm。从火力岸往下至第三环槽的形变量呈减小趋势。主要原因是由于活塞温度分布的不均匀活塞受热膨胀的程度不相同而且活塞各环槽、环岸受到的气体压力由顶部向下逐渐减小，造成活塞各个环槽环岸的形变差异较大。活塞裙部的形变量较小，形变范围在0.004mm~0.08mm。且是活塞裙部底部的形变量较大，因为活塞裙部底部比上部的形变量大导致了活塞裙部向内腔弯曲。由于活塞头和裙部底部向外伸展的形变量比裙部中部形变量大，导致了裙部有向内腔弯曲的趋势。活塞销座的形变量较小在0.05~0.07mm的范围内。1.6小结本章首先通过ANSYSworkbench软件导入温度场的边界条件对