柴油機(jī)活塞的熱機(jī)耦合分析

山西中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院　　郭亮　張翼

柴油機(jī)活塞的熱機(jī)耦合分析

山西中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院郭亮張翼

本文以某型柴油機(jī)鑲?cè)钊麨檠芯繉ο?，對活塞在最大爆壓下的溫度場、機(jī)械應(yīng)力和熱機(jī)耦合應(yīng)力進(jìn)行了計算。分析了活塞溫度場對活塞的影響規(guī)律，為活塞前期設(shè)計和提高活塞的工作壽命提供了一定的理論依據(jù)。

柴油機(jī)；活塞；熱機(jī)耦合

前言

隨著柴油機(jī)的不斷強(qiáng)化，對缸內(nèi)零件的性能、強(qiáng)度和可靠性等也不斷提高?；钊诟邷?、高壓的條件下工作，受到熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的共同作用，工作條件非常惡劣，導(dǎo)致活塞結(jié)構(gòu)非常容易變形和產(chǎn)生裂紋［1］。

本文首先對某型柴油機(jī)活塞的溫度場進(jìn)行模擬，然后進(jìn)行熱應(yīng)力分析，并計算最大爆壓下的機(jī)械應(yīng)力和耦合應(yīng)力。分析溫度場對活塞的影響以及活塞在最大爆壓下的薄弱位置，為活塞的設(shè)計優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

1　活塞溫度場的確定

1.1活塞的熱邊界

活塞溫度場計算的關(guān)鍵在于合理地給出熱邊界條件，缸內(nèi)燃燒的邊界條件主要是確定活塞與外界環(huán)境之間的換熱系數(shù)，換熱邊界的計算一直是一個難以解決的問題。通過對活塞的實(shí)驗(yàn)和計算研究，我們總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式?？梢韵冗\(yùn)用這些公式得出一個初始的活塞熱邊界條件，利用ANSYS等軟件計算活塞溫度場，把一些關(guān)鍵點(diǎn)處的試驗(yàn)數(shù)據(jù)值和計算值進(jìn)行比較，再利用傳熱原理對邊界條件進(jìn)行修正，然后再重新計算，一直到計算值與實(shí)測值的誤差達(dá)到工程研究的許用范圍以內(nèi)［2］。

表1　活塞熱邊界條件

本文在計算活塞溫度場時采用第三類邊界條件，與活塞接觸換熱系數(shù)采用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式求得?；钊煌课坏臒徇吔鐥l件如表1所示。活塞采用鋁合金材料。鑲?cè)Σ捎酶哝噴W氏體鑄鐵。在柴油機(jī)工作時，燃?xì)鉁囟群蛽Q熱系數(shù)的變化頻率非常快，零件之間的熱量傳遞存在滯后性，使溫度和換熱系數(shù)的變化對活塞內(nèi)部溫度分布的影響不大。因此，進(jìn)行活塞溫度場計算時，可以將其作為穩(wěn)態(tài)溫度場來進(jìn)行計算［3］。

1.2溫度場計算結(jié)果

計算溫度場時，為提高求解效率，根據(jù)活塞對稱性，取四分之一模型。劃分網(wǎng)格所得有限元模型如圖1所示，該有限元模型共有單元203562個，節(jié)點(diǎn)536348個?；钊麥囟葓鋈鐖D2。從圖中可以看出，活塞最高溫度位于喉口邊緣為369℃，第一環(huán)槽在230℃左右?；钊畹蜏囟葹?4℃，位于裙部，溫度場分布與試驗(yàn)測試結(jié)果基本一致。

圖1　活塞有限元模型　

圖2　活塞溫度場

2　活塞熱機(jī)耦合分析

（1）位移邊界條件。進(jìn)行活塞應(yīng)力計算時，要給定約束，以消除位移對計算結(jié)果的影響。對連桿下端截面施加全位移約束，在四分之一活塞的對稱面施加對稱約束。

（2）載荷邊界條件。根據(jù)活塞的實(shí)際工況，最大爆發(fā)壓力P為17.2MPa，氣缸內(nèi)的燃?xì)夥謩e作用在活塞頂面、火力岸和環(huán)槽各處，由于節(jié)流的作用，第一環(huán)槽壓力為0.75P；第一環(huán)岸壓力為0.25P；第二環(huán)槽壓力為0.2P［4］。在上止點(diǎn)時，活塞的瞬時加速度為4536m/s2。

（3）加載熱載荷。計算活塞熱機(jī)耦合應(yīng)力時，把活塞的溫度場作為一個載荷施加到活塞上，然后再進(jìn)行熱機(jī)耦合應(yīng)力計算。

3　計算結(jié)果及分析

圖3和圖4分別是最大爆發(fā)壓力下的機(jī)械應(yīng)力場和熱機(jī)耦合應(yīng)力場。

從圖3中可以看出，在單純機(jī)械載荷作用下，活塞的最大拉應(yīng)力在活塞銷座的承壓區(qū)域，為190MPa；從圖4中可以看出，在溫度場的影響下，活塞銷座處的應(yīng)力集中得到改善，最大應(yīng)力減小了約70MPa。同時由于鑲?cè)εc活塞材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，使得鑲?cè)εc活塞溫差較大，造成這個部位應(yīng)力較大。

圖3　機(jī)械應(yīng)力場圖　

圖4　熱機(jī)耦合應(yīng)力場

由以上計算結(jié)果可知，在溫度場的影響下，活塞最大應(yīng)力的位置和數(shù)值與單純的機(jī)械載荷作用相比，均有較大的改變。因此，在活塞設(shè)計時，只計算最大燃燒壓力下的活塞強(qiáng)度并不能很好地反映出活塞強(qiáng)度，應(yīng)采用熱機(jī)耦合應(yīng)力對活塞進(jìn)行強(qiáng)度校核，這樣才能更加真實(shí)地反映活塞的薄弱部位，才可以為活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠性的依據(jù)。

4　結(jié)論

（1）到目前為止，活塞傳熱邊界條件的確定仍然是很困難的問題。計算的邊界條件可與實(shí)測值進(jìn)行比較，然后再對邊界條件進(jìn)行修正，從而得到較為合理的傳熱邊界條件。

（2）通過對比機(jī)械應(yīng)力場和熱機(jī)耦合應(yīng)力場，熱負(fù)荷產(chǎn)生的熱應(yīng)力會減小某些部位（如活塞銷座區(qū)域）因燃?xì)鈮毫υ斐傻臋C(jī)械應(yīng)力。活塞較大應(yīng)力出現(xiàn)在鑲?cè)μ幒弯N座處。在鑲?cè)钊脑O(shè)計和優(yōu)化過程中，這些區(qū)域的設(shè)計需要特別關(guān)注。

（3）本文采用的是帶鑲?cè)Φ幕钊槍ζ鋺?yīng)力較大的部位，可以采取一些方法來進(jìn)行優(yōu)化，如在活塞頂部加陶瓷層，減少傳熱量，從而減小熱應(yīng)力。

［1］馮耀南，張翼.振蕩油腔位置對柴油機(jī)活塞溫度場的影響 ［J］.裝備制造技術(shù)，2009（6）：11.

［2］吳波，李慧，王旭蘭等.高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞的熱機(jī)耦合強(qiáng)度分析［J］.機(jī)械制造，2012：50-52.

［3］譚建松.高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞的熱負(fù)荷及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［D］.浙江：浙江大學(xué)，2000：22.

［4］俞小莉，翟昕，劉震濤等.柴油機(jī)燃燒室形狀對活塞熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷的影響［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2002：45-48.

圖1　發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩特性

表1　液力變距器原始特性數(shù)據(jù)

圖2　發(fā)動機(jī)與液力變矩器共同工作點(diǎn)

圖3　車輛行駛驅(qū)動力—阻力平衡關(guān)系

4　結(jié)語

本文通過建立裝有AT變速器的六輪全驅(qū)動重型車輛傳動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析了發(fā)動機(jī)與液力變矩器共同工作特性，并利用計算機(jī)軟件仿真得到其共同工作點(diǎn)，得到共同工作時的輸出轉(zhuǎn)矩特性，進(jìn)而對最高車速進(jìn)行計算，得到的結(jié)果與實(shí)車設(shè)計需要相近，具有較高準(zhǔn)確性與可靠性，可作為動力匹配設(shè)計的參考，可利用此方法選擇不同的設(shè)計方案。在計算最大爬坡度時分析了兩種爬坡模型，通過分析得到較為可靠的數(shù)據(jù)。本文通過對重型車輛的研究分析其動力性參數(shù)，所得結(jié)果可滿足各行業(yè)使用需求，為今后設(shè)計同類型車輛提供數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)：

［1］唐應(yīng)時，肖啟瑞等.汽車動力傳動系仿真與優(yōu)化［J］.計算機(jī)仿真，2009（6）.313-317.

［2］李春芾，陳慧巖等.發(fā)動機(jī)與液力變矩器匹配工作點(diǎn)算法研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009（3）11-15.

［3］王望予.汽車設(shè)計（第4版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

郭亮，1988年9月出生，河北省任丘市人，在讀研究生，研究方向：動力機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動態(tài)設(shè)計。