基于ALGOR的柴油機活塞溫度場分析

吳璇璇

0 引言

活塞作為發(fā)動機的心臟，其設計不僅要滿足船用柴油機的性能要求，還要考慮其經(jīng)濟性。而船用柴油機的發(fā)展趨勢愈來愈趨向于高功率、高速、低油耗，降低柴油機噪聲和廢氣凈化已經(jīng)成為柴油機發(fā)展的重中之重?；诓裼蜋C的發(fā)展趨勢，活塞的性能要求包括耐久性能好、產(chǎn)生的摩擦最小、廢氣污染的排放最小、產(chǎn)生的噪聲最小及為活塞環(huán)穩(wěn)定工作提供環(huán)槽條件等。綜合有限元的分析方法和虛擬樣機的數(shù)字化設計方法，首先運用Inventor軟件創(chuàng)建6160型柴油機活塞在計算機上的模型系統(tǒng)，然后通過Inventor與ALGOR軟件端口的連接，在活塞上施加溫度體載荷，并使用ALGOR計算出溫度場分布。根據(jù)其結(jié)果進行分析，優(yōu)化設計活塞，最終提高整機的綜合性能。

1 ALGOR軟件

作為一款世界通用的有限元仿真軟件，ALGOR被應用于眾多行業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)中，且可以模擬多種現(xiàn)象，如機械運動仿真、線形動力學分析、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱傳導分析、流體分析、靜電分析、管道系統(tǒng)仿真等，能夠預測和檢驗被研究對象在真實狀態(tài)下的各種情況。同時，ALGOR相較于其他有限元仿真軟件，操作更簡便、對硬件的要求更低，被廣泛應用在機械設計、應力分析等領域。

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立

本次研究是以“ω”型的活塞燃燒室為例，設計材料選用鋁合金，其密度為ρ=2 700 kg/m3，導熱系數(shù)為λ=236 W/(m·k)，比熱為C=902 J/(kg·k)。該燃燒室設計于活塞頂部且位置居中，有限元分析的幾何模型正是利用了此種活塞的完整模型數(shù)據(jù)?；钊膸缀文Ｐ褪鞘褂肐nventor軟件建立的，然后再引入到ALGOR軟件中。由于Inventor軟件是一款典型的三維可視化實體模擬軟件，能夠保證其建立的幾何模型具有活塞的真實結(jié)構(gòu)，同時也能為有限元分析的順利進行打好基礎。幾何模型如圖1所示。

圖1 6160型柴油機活塞幾何模型

2.2 有限元模型的建立

為保證計算結(jié)果的準確性，需要確定合理的有限元劃分方案?；钊膸缀文Ｐ托枰獎澐殖鼍W(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2所示。一般來說，劃分的單元越細致，計算精度越高，相應的計算時間越長。

圖2 6160型活塞網(wǎng)格劃分方案

3 溫度場分析

3.1 邊界條件的確定

由于柴油機活塞頭部在環(huán)槽工作中直接接觸高溫高壓燃氣，裙部設有冷卻機構(gòu)，受到冷卻液的影響，活塞銷孔間存在連續(xù)滑動摩擦產(chǎn)生的熱量，所以活塞內(nèi)部的溫度分布極為復雜。確定邊界條件時，應根據(jù)冷卻液的溫度、流動速度、活塞銷孔間潤滑油溫度、參照示功圖得出的燃氣溫度，通過半經(jīng)驗、經(jīng)驗的公式分析活塞腔內(nèi)部的當量熱交換系數(shù)、活塞環(huán)槽區(qū)域、活塞頭部高溫高壓燃氣的熱交換系數(shù)以及活塞裙部外側(cè)。所以研究過程中要比較活塞上對應點的實測結(jié)果與計算結(jié)果的差異性，反復修正傳熱邊界條件，最終計算出貼近實測的結(jié)果，計算結(jié)果見表1。

表1 穩(wěn)態(tài)邊界條件

此次分析研究是柴油機在標定工況下，即轉(zhuǎn)數(shù)為750 r/min情況下進行的。6160型柴油機氣缸套內(nèi)表面的溫度沿軸向方向的浮動范圍是110～210℃，冷卻油溫度為110～140℃。活塞的頭部高溫高壓燃氣的溫度與燃氣對流換熱系數(shù)均是參照熱力計算的結(jié)果得出，如圖3和圖4所示?；钊敳客舛嗣娴母邷馗邏喝細鉁囟确秶? 570～1 780℃，而燃燒室內(nèi)的柴油與高壓空氣的燃燒產(chǎn)物的平均溫度范圍是690～890℃；其換熱系數(shù)范圍取平均值400～500 W/(m2·K)。

圖3 缸內(nèi)氣體溫度

圖4 氣體對流換熱系數(shù) （氣缸內(nèi)部）

3.2 計算活塞溫度場

運用Inventor軟件建立三維可視化實體模型并且計算出活塞邊界條件，然后使用有限元分析軟件ALGOR，分析活塞的穩(wěn)態(tài)，最終計算出活塞的溫度場分布。計算結(jié)果如圖5所示?；钊念^部與高溫高壓燃氣接觸的外端面極限溫度是364.653℃，處于整個活塞的頭部上燃燒室外輪廓線處；其外側(cè)面的溫度變化情況是沿著軸向方向由高到底，活塞的最上端一道氣環(huán)環(huán)槽處溫度為291℃；活塞銷位置最高溫度為256℃，內(nèi)腔輪廓面最高溫度為300℃。

圖5 溫度場軸向分布圖

活塞環(huán)區(qū)域內(nèi)的溫度變化情況對于船舶柴油機整機的可靠性能有著重大影響，如果環(huán)槽區(qū)域的溫度極限值很高，一般會導致活塞環(huán)與環(huán)槽間的滑油發(fā)生化學反應，嚴重時甚至會發(fā)生碳化，積碳易于粘結(jié)活塞環(huán)，使活塞環(huán)失去靈活性。如果緊連著活塞的環(huán)槽發(fā)生磨損、變形最為嚴重的后果是柴油機汽缸套的擦傷、拉缸。利用ALGOR的分析實驗，是以有冷卻油道的活塞環(huán)槽為例，很大程度上降低了該區(qū)域所承受的溫度。雖然相較于第三道、第二道環(huán)槽，第一道環(huán)槽的溫度要高的多，但是該溫度的極限值仍在可選的范圍內(nèi)。如圖6所示，活塞頭頂部的溫度分布范圍是296.372～364.654℃。但是溫度的變化并非升序或者是降序的，而是從活塞中間位置向燃燒室輪廓邊緣位置先降溫再升溫，并且在活塞頭部燃燒室外緣處達到最大值。如圖7所示，活塞部件的整體溫度沿著活塞頭部向活塞裙部逐步降低，直至活塞裙部的邊緣出現(xiàn)最低溫度值。

圖6 6160型柴油機活塞頭部溫度場分布圖

圖7 6160型活塞溫度場的等溫面分布情況

3.3 結(jié)果分析

由ALGOR軟件對其溫度場的解析可以得出，在整個活塞部件中，溫度極限值存在于其頂部外端面燃燒室的輪廓處。這就決定了在設計燃燒室過程中，其邊緣位置需要特殊處理出倒圓角，以防止熱應力集中現(xiàn)象的發(fā)生和燒蝕作用的產(chǎn)生。

同時，根據(jù)整機設計中性能的考量，活塞環(huán)第一道環(huán)槽與活塞頂部間的區(qū)域受熱最嚴重，必須充分考量所設計的活塞材料，可以采用分體式活塞設計，并且活塞的頭部必須考慮抗熱性，以防止活塞頭部構(gòu)成燃燒室的位置受到熱應力的影響而產(chǎn)生形變。這樣的設計不僅降低了活塞部件的總成本，而且滿足了耐熱性能的要求。

4 結(jié)語

基于ALGOR軟件的活塞溫度場分析的研究方法，具有實踐檢驗和理論推導分析方法所無法比擬的優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用于柴油機性能的研究領域。該軟件不僅能夠有效地驗證所設計的柴油機活塞是否能夠在實際生產(chǎn)中滿足溫度邊界值的要求，而且不需要生產(chǎn)實體進行校核實驗；同時也可用于設計完成后的驗證工作，為設計生產(chǎn)的結(jié)果提供保證，具有一定的實踐應用價值。

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