发动机活塞热分析
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发动机活塞热分析
施培文,杜爱民
(同济大学,上海201804)
摘要:活塞作为发动机最主要的受热零件之一,长期工作在恶劣的环境下,承受很高的热负荷,容易形成热疲劳损
坏。如果得到其温度场,便可有目的地进行设计,减小热负荷。笔者通过有限元软件HyperMesh和ANSYS,结合试
验测得值对活塞进行温度场分析计算,得到三维温度场,为活塞的结构改进和优化提供了重要依据。
关键词:活塞;有限元;温度场;边界条件
中图分类号:TK401.1 文献标识码:B 文章编号:1000-6494(2006)03-0007-04
ThermalAnalysisofPistons
SHIPei-wen,DUAi-min
(TongjiUniversity,Shanghai201804,China)
Abstract:Pistonisoneofthemostimportantcomponentsinamotor.Itsterriblethermalloadalwayscausesfatiguebreakdown.
Withthethermalfieldwemaydesignthestructureofapistononpurposeandreduceitsthermalload.Thethermalfieldiscalcu2
latedwithAnsysandHyperMesh.Ourthermalexperimenthelpscalculatingthe3-dimensionalthermalfield.Bymeansofthat
wecanoptimizethepistonandensureitsdependability.
Keywords:piston;finiteelement;thermalfield;boundarycondition
作者简介:施培文(1981-),男,硕士生,主要研究方向为发动机能源与排放控制收稿日期:2005-11-040 前言
发动机作为一种热能动力机械,它的运转离不
开热的传递,这种热的传递在很大程度上决定了发
动机的经济性、可靠性及其它各项重要技术经济指
标。当对发动机进行强化设计时,主要是提高其平
均有效压力和速度(活塞速度或曲轴转速),这就意
味着单位时间内燃烧释放的热量增加必然会带来热
负荷的增加。
活塞作为发动机最主要的受热零件之一,长期
工作在恶劣的环境下,承受很高的热负荷。这些负
荷产生的应力影响着它的使用寿命,并可能导致咬
缸、拉缸、结胶等故障,极大地危害发动机整机的可
靠性和耐久性。因此,活塞的结构设计状况和运行
状况,对发动机的可靠性、寿命、排放和经济性等诸
多方面有着至关重要的影响。
要评价活塞的热负荷,直观而有效的方法是求
得活塞的温度场,从温度场就可总观活塞温度的全
貌及其热流分布是否合理,以便为其热负荷的改善
指明途径,同时活塞的温度场还是求取热应力和热
变形的主要依据。根据求得的应力和变形,就可以判断活塞在工作状况下的疲劳强度,以及活塞的冷
热形状,为活塞的最优化设计提供依据。
有限元数值模拟技术具有实验方法和理论解析
方法无可比拟的优势,因此已经成为内燃机性能研
究的重要手段。某汽油发动机在技术改造后,标定
功率提升至45kW(6000r/min),最大扭矩89N・m
(4000r/min),为了考察其改造后的热负荷状况,笔
者以它的铝合金活塞为研究对象,进行有限元模拟
计算,以得出活塞在热负荷作用下的温度分布,进而
为活塞结构设计的改进优化提供依据。
1 有限元模型的建立
1.1 模型的建立
活塞是燃烧室平顶型,模型用ProE建立,通过
HyperMesh软件进行网格划分,然后再引入到有限
元分析软件ANSYS中,因此建立的几何模型能够体
现活塞的实际结构,为有限元分析的顺利进行奠定基
础。此外,用ProE建立此模型的另一个优点是:便于
对活塞进行几何尺寸上的优化设计与结构上的改进。
为了获得较为合理的网格划分方案,在确定划
分方案之前,有必要进行一些测试,以选择合适的计
算网格,这样既能保证计算精度,又不会耗费过多的
计算时间。我们采用的网格划分方案如图1,图2所
示,共计节点22287,单元216589。 第3期2006年6月内燃机InternalCombustionEnginesNo.3Jun.2006
图1 活塞网络划分(外部)
图2 活塞网络划分(内腔)
一般来说有限元单元划分越小,计算精度就越
高。随着计算机技术的不断进步,在一定的计算时
间内,计算机处理的单元数目大大增加了,对于活塞
这样形状复杂和温度变化剧烈的受热件,完全可以
把单元画得精细一些。
1.2 材料物理特性
该发动机的活塞采用硅铝合金材料,其物性参
数为:密度ρ=2730kg/m3,导热系数λ=163w/(m2・
K),比热C=902J/(kg
・K),弹性模量E
=70×10
9,泊
松比为0.
32～0.36,热线性膨胀系数为23.2×10-6
m/m・K。
2 有限元分析
2.1 有限元分析的基本原理
利用有限元法进行温度场分析的基本思想是:
将一个连续的整体进行离散化,分割成彼此用节点
相连接的有限个单元,建立单元的泛函叠加而得到
整个结构的泛函关于温度的表达式
,
再由求泛函极
值的方法,得到以结构节点温度为未知数的线性方
程组,解之,可以求得结构节点的温度值。
活塞边界为第三类边界条件,换热系数α和介质温度Tf根据试验实测温度和计算结果估计。则其
传热方程为:
92T9x2+92T9y2+92T9z2=0
-9T9n|s=9(T-Tf)|s
对应的泛函公式为:
J=∫vλ29T9x2+9T9y2+9T9z2dxdydz
+∫sα(T2-TjT)ds式中,λ为导热系数,W/(m2・K);A为对流换热
系数,W/(m2・K);Tf为环境温度;s为活塞或气缸盖边界。
划分单元的泛函表达为:
Jc=∫vcλ29T9x2+9T9y2+9T9z2dxdydz
+∫scα(T2-TfT)ds
活塞总泛函为:
J=∑c∫vcλ29T9x2+9T9y2+9T9z2dxdydz
+∫scα(T2-TfT)ds
泛函取极值的条件为:
9J9Ti
=∑c9Jc9Ti=0 (i=1,2,3,…,n)
式中,Jc为单元与整体边界重合部分,n为节点
总数。
2.2 边界条件的确定
为了使每一节点有唯一解,需要附加一定的边
界条件和初始条件,这些条件称为定解条件。合理
地给出传热边界条件是保证有限元计算可靠性的关
键。确定换热边界条件,主要是确定各边界与燃气、
冷却水、冷却油、曲轴箱内油雾以及自由环境之间的
换热系数和相应温度。在确定边界条件时,应考虑
诸多因素并通过经验公式计算换热系数,活塞环区、
活塞裙部外侧以及活塞内腔的当量热交换系数,并
对比计算结果和实验结果来不断修正边界条件,使
最终计算结果与实测结果更好地符合,从而提高计
算的准确性和精确度,同时也为进一步的热分析提
供较为精确的边界条件。
研究是在发动机为标定工况即6000r/min下工
作时进行的。由于活塞是高速运动件,所以其表面
温度采用硬度塞的方法测得;气缸盖表面温度采用
传感器测得,以下便确定活塞和气缸盖的边界条件。
活塞顶部和气缸盖火力面燃气的温度及与燃气
的对流换热系数利用AVLBoost软件计算得到(如图
3、图4),在燃烧阶段活塞顶面的燃气温度高达2500～ ・8 ・内燃机2006年6月
图3 缸内气体温度
图4 缸内气体换热
2600K,综合考虑燃气的平均温度为1000～1100K;
燃气的当量换热系数平均为400～500W/(m2・K)。
对于活塞火力岸处,以往分析一般多取为绝热
条件,在考虑此处确实有热交换时,换热系数根据推
荐值取为活塞顶部平均换热系数的1/5～1/4较为
合理。活塞侧面与气缸壁之间以及活塞环槽处间隙
很小,燃气也很少,因此换热系数也较小。
活塞、气缸套和冷却介质三者之间的换热过程相
当复杂,活塞经冷却介质带走热量的途径很多,可经
活塞环、气缸套,也可直接经气缸套带走,而活塞与活
塞环、活塞环与气缸套、活塞与气缸套之间,
既有油膜
又有气隙,并且有相对运动,换热系数很难准确确
定。应参考经验和试验数据来确定,环区的温度为
450K,裙部的温度为410K,底部的温度为360K。
在活塞销与销座接触处,相对滑动带进去的冷
却油也有一定的对流效应,但对流换热系数较内、外
侧低,环境温度也相对高一些。
其它面应根据实际情况设定适当的环境温度和
当量换热系数。活塞的边界条件见表1。
3 活塞温度场的计算和结果分析
建立模型及确定边界条件后,即可在ANSYS分析
软件中进行稳态热分析,以求得活塞的温度场分布。
计算结果如图5～8所示,活塞顶部与燃气接触
的表面最高温度为313℃,位于活塞顶部沉坑燃烧
室的上边缘处;在外侧面,沿轴向从上到下,温度由
高到低,第一环槽处温度约为260℃左右;活塞销座表1 活塞主要部分边界条件边界对应区域第三类边界条件
环境温度/K对流换热系数/〔W/(ηm2・K
)〕活塞顶部1030489火力岸45090其它环岸450250
环槽上下面430380
底面430270裙部410300活塞销孔410210内冷油道360470
内腔下部360350
中部360330
上部360310
图5 活塞温度场(外部)
图6 活塞温度场(内腔)
图7 活塞温度场等温面 第3期施培文等:发动机活塞热分析・9 ・
