柴油機活塞溫度場有限元分析

郭超

摘要：活塞作為發(fā)動機的主要受熱件，其熱負(fù)荷問題最為嚴(yán)重，所以對其進(jìn)行溫度場的計算是十分必要的。利用NASTRAN程序建立活塞的有限元傳熱分析模型，并計算活塞的溫度場和熱流。分析了活塞結(jié)構(gòu)和材料、發(fā)動機工作過程參數(shù)、冷卻等因素對活塞溫度場的影響，得出當(dāng)活塞采用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，在冷卻條件較好的環(huán)境下工作時，活塞的使用壽命越長。為活塞的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柴油機;活塞;設(shè)計;溫度場

0? 引言

隨著發(fā)動機強化程度的不斷提高，其零部件的熱負(fù)荷將隨之不斷增大?；钊鳛榘l(fā)動機的主要受熱件，由于具有受熱面積大、散熱條件差的特點，因而其熱負(fù)荷問題最為嚴(yán)重。它的結(jié)構(gòu)對內(nèi)燃機的可靠性、壽命、排放和經(jīng)濟(jì)性等諸多方面有著至關(guān)重要的影響。如能求得活塞的溫度場的數(shù)值解，將可為考慮熱應(yīng)力和熱變形的活塞優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

有限元數(shù)值模擬技術(shù)具有試驗方法和理論解析方法無可比擬的優(yōu)勢，已經(jīng)成為內(nèi)燃機性能研究的重要手段。本文以某型柴油機活塞為研究對象，進(jìn)行了有限元模擬計算，得出了活塞在熱負(fù)荷作用下的溫度分布，為活塞的最優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

1? 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立

要想得到比較精確的活塞溫度場計算結(jié)果，首先要考慮到的是如何建立準(zhǔn)確的幾何模型。由于實際活塞往往非常復(fù)雜，要建立和實際的活塞完全一樣的三維幾何模型是幾乎不可能的，所以需要對幾何模型進(jìn)行如下的簡化：

①活塞在冷態(tài)時的結(jié)構(gòu)是上小下大，火力岸處的直徑是最小的，裙部是橢圓形的，在工作時，活塞由于受熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的作用，形成上下近似一致的圓柱體。而裙部主要受側(cè)壓力作用，會發(fā)生彈性形變。所以在建模時，把活塞簡化成頭部呈圓柱形，裙部呈橢圓形的模型。

②由于活塞銷在溫度場中不是主要的分析對象，所以在建立活塞模型時將其簡化?；钊N座上部的加強筋由雙肋結(jié)構(gòu)簡化成單肋。

③實際活塞的油環(huán)槽處有回油孔，但由于油環(huán)傳遞的熱量占活塞傳熱的比例比較小，所以在模型中沒有開回油孔。

在處理活塞銷座和活塞裙等部位的時候，盡可能恢復(fù)活塞的原始尺寸，以達(dá)到分析結(jié)果的相對準(zhǔn)確性。對于活塞的其它部位，在不影響分析結(jié)果的情況下可適當(dāng)簡化處理。

1.2 活塞有限元網(wǎng)格的劃分

在三維幾何模型建立以后必須進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以有限個單元組成的集合體來代替原先的連續(xù)體進(jìn)行研究。為了能有效地逼近實際連續(xù)體，必須考慮選擇單元的種類，確定單元的數(shù)目和剖分方案等問題。單元間僅有節(jié)點處互相連接，并傳遞內(nèi)力，同時一般應(yīng)滿足變形協(xié)調(diào)條件，即在研究對象內(nèi)部時不能出現(xiàn)裂縫，也不允許有重疊。

有限元單元分為兩種：①二維面單元;②三維邊界對流換熱體單元。在本文中只對活塞進(jìn)行溫度場分析，所以只要劃分三維體單元。有限元網(wǎng)格的生成情況對于計算結(jié)果有一定影響，為了盡量減少誤差，經(jīng)過多次試驗，本文中采用4面體4節(jié)點單元格，其最大單元特征尺寸為1.8㎜，這樣會使計算誤差控制在8%之內(nèi)。采用這種技術(shù)可以大大減少人為因素對模型的干預(yù)，從而盡量避免由于不合理簡化所造成的計算誤差，而且在進(jìn)行復(fù)雜件模態(tài)的有限元計算中，采用4面體4節(jié)點單元能夠得到具有單調(diào)收斂性的解。因而本文做出的以上誤差估計是合理的。

1.3 活塞材料性質(zhì)的選定

在這次建模中具體選用了ZL108和ZL109兩種導(dǎo)熱性較好的鋁合金材料來進(jìn)行比較分析。活塞銷采用20Cr。氣環(huán)的材料為球墨鑄鐵，油環(huán)的材料為合金鑄鐵。幾種材料的熱物理性質(zhì)如表1所示。

2? 有限元分析

2.1 有限元分析的基本原理

利用有限元法進(jìn)行溫度場分析的基本思想是：將一個連續(xù)的整體進(jìn)行離散化，分割成彼此用節(jié)點相連接的有限的單元，建立單元的泛函疊加而得到的整個結(jié)構(gòu)的泛函關(guān)于溫度的表達(dá)式，再由求泛函極值的方法，得到以結(jié)構(gòu)節(jié)點溫度為未知數(shù)的線性方程組，解之可以求得結(jié)構(gòu)節(jié)點的溫度值。

2.2 活塞溫度場傳熱邊界條件的確定

為了加載邊界條件時方便和計算結(jié)果的精確，現(xiàn)對活塞進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)如圖1所示，其中數(shù)字1～18表示各分區(qū)號。

在發(fā)動機工作過程中，氣缸壁的溫度是從上到下逐漸降低的。在分析活塞溫度場時，根據(jù)前面的設(shè)定，即為穩(wěn)態(tài)溫度場，可將活塞與氣缸壁的傳熱溫度沿軸向分為2個不同的溫度區(qū)域，由上至下兩個區(qū)域的溫度分別為130℃和110℃。在活塞工作過程中，活塞內(nèi)腔表面和銷座表面都會與曲軸箱內(nèi)的油氣混合氣發(fā)生對流換熱，而油氣混合氣溫度各處都相差不大，所以在分析時取油氣混合氣的溫度為90℃。同時為了比較冷卻條件惡化時對溫度場的影響，選擇了兩個區(qū)域的溫度分布為130℃和150℃的兩種情況進(jìn)行分析。

對活塞的溫度場進(jìn)行計算時所加的邊界條件可以用表1來概括。表1中換熱系數(shù)α（W/（m2·K））一欄里的材料一表示活塞的材料選為ZL108，材料二為ZL109;傳熱邊界載荷（℃）一欄中的1表示活塞工作時環(huán)境溫度為130℃，2表示活塞工作時環(huán)境溫度為150℃。

3? 活塞溫度場熱流分布的計算結(jié)果和分析

從熱流分析可以看出，在活塞環(huán)槽處的熱流密度很大，每經(jīng)過一個環(huán)槽，熱流密度都有很大的降低。說明活塞頂面從高溫燃?xì)庵形盏臒崃拷^大部分是通過活塞環(huán)傳遞給氣缸壁的，然后通過氣缸壁傳給冷卻系統(tǒng)，只有極少一部分熱量通過活塞裙部傳導(dǎo)?；钊h(huán)除具有密封的特性外，還起到了冷卻活塞的作用。所以在設(shè)計活塞環(huán)的時候，應(yīng)該對活塞環(huán)材料的熱物理參數(shù)多加考慮，以保證活塞環(huán)的高導(dǎo)熱性。

通過對熱流值的觀察，還可以發(fā)現(xiàn)活塞裙部的熱流值相對比較低，這就驗證了只有極少一部分的熱量是通過活塞裙部散失的結(jié)論。

從活塞熱流分布的分析結(jié)果，可以看出其與溫度場分析所得出的結(jié)論是一致的。這就從另一方面說明了溫度場結(jié)論的正確性，兩者結(jié)合起來證明了整個分析的科學(xué)性、合理性。

3.1 活塞溫度梯度的計算結(jié)果

在活塞環(huán)槽處的熱流密度很大，每經(jīng)過一個環(huán)槽，熱流密度都有很大的降低。說明活塞頂面從高溫燃?xì)庵形盏臒崃拷^大部分是通過活塞環(huán)傳遞給氣缸壁的，然后通過氣缸壁傳給冷卻系統(tǒng)，只有極少一部分熱量通過活塞裙部傳導(dǎo)?；钊h(huán)除具有密封的特性外，還起到了冷卻活塞的作用。所以在設(shè)計活塞環(huán)的時候，應(yīng)該對活塞環(huán)材料的熱物理參數(shù)多加考慮，以保證活塞環(huán)的高導(dǎo)熱性。

通過對熱流值的觀察，還可以發(fā)現(xiàn)活塞裙部的熱流值相對比較低，這就驗證了只有極少一部分的熱量是通過活塞裙部散失的結(jié)論。

從活塞熱流分布的分析結(jié)果，可以看出其與溫度場分析所得出的結(jié)論是一致的。這就從另一方面說明了溫度場結(jié)論的正確性，兩者結(jié)合起來證明了整個分析的科學(xué)性、合理性。

3.2 結(jié)果分析

由活塞與高溫燃?xì)饨佑|表面的最高溫度出現(xiàn)在活塞頂部的燃燒室附近，其數(shù)值大約在300℃左右?；钊耐鈧?cè)面，沿軸向從上到下，溫度由高到低?；钊妮S向溫度差在150℃左右，而且沿軸向的分布是非線性的，所以在設(shè)計活塞時要考慮活塞在受熱時的非線性變形。

活塞環(huán)區(qū)的溫度對于發(fā)動機的可靠性是極為重要的。環(huán)區(qū)溫度過高，將使?jié)櫥妥冑|(zhì)，甚至碳化。造成活塞環(huán)粘接，失去活動性，使環(huán)槽將迅速磨損、變形，嚴(yán)重時將造成發(fā)動機氣缸套擦傷，甚至拉缸。本文中第一環(huán)槽的溫度為220℃左右，在可用范圍之內(nèi)。

活塞環(huán)槽上下表面及內(nèi)側(cè)的溫度差為15℃左右。而溫度梯度比較大，達(dá)到4430℃/m，而且環(huán)槽處的邊角比較多，這會引起活塞環(huán)槽處熱應(yīng)力增大和熱變形。所以在設(shè)計活塞時要注意減少環(huán)槽處的邊角，減少熱應(yīng)力和熱變形。

4? 結(jié)論

當(dāng)發(fā)動機冷卻條件比較好（即模型所處的環(huán)境溫度比較低）時，對流換熱明顯增強，有利于活塞的散熱。所以在設(shè)計發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)時，要注意使氣缸壁的溫度在合適的范圍之內(nèi)。使用導(dǎo)熱系數(shù)比較大的材料時，活塞的最高溫度相對比較低，活塞整體的溫差也有所降低。

活塞頂面從高溫燃?xì)庵形盏臒崃拷^大部分是通過活塞環(huán)傳遞給氣缸壁的，然后通過氣缸壁傳給冷卻系統(tǒng)，只有極少一部分熱量通過活塞裙部傳導(dǎo)。活塞環(huán)除具有密封的特性外，還起到了冷卻活塞的作用。所以在設(shè)計活塞環(huán)的時候，應(yīng)該對活塞環(huán)材料的熱物理參數(shù)多加考慮，以保證活塞環(huán)的高導(dǎo)熱性。

活塞頂部的結(jié)構(gòu)對活塞溫度場的影響非常大。隨著換熱面積的增大，活塞的整體受熱普遍提高，所以在設(shè)計活塞時，盡量減小活塞頂平面的受熱面積，以降低活塞的熱負(fù)荷。除此之外還可以通過改變冷卻介質(zhì)與活塞外表面的溫度差或改變冷卻介質(zhì)的冷卻方式等來降低活塞的熱負(fù)荷。而活塞裙部的設(shè)計則著重考慮它的導(dǎo)向作用，因為它對熱量散失的貢獻(xiàn)不大。

通過對活塞溫度場的計算結(jié)果進(jìn)行分析，得出了當(dāng)活塞選用導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，在冷卻條件較好的環(huán)境下工作時，活塞的使用壽命越長。

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