发动机缸体温度场计算

作者简介：发动机机体的温度场分析【摘要】利用CA TIA 建立发动机机体模型，将简化后的机体三维模型导入Hypermesh ，得到有限元模型。

将机体的温度场作为稳定温度场处理，利用A VL-Boost 模拟出缸内气体的温度和换热系数，分段确定气缸壁的温度边界条件，根据已有经验公式求出缸体外壁、曲轴箱内壁以及机体与连接件间的温度边界条件，同时根据经验估算水套内的换热系数和温度，将这些温度边界条件施加到机体的表面上。

最后，应用有限元软件MSC.MARC 对机体进行温度场分析，得到了机体的温度场分布。

【关键词】机体，换热系数，温度场，边界条件，有限元Thermal Field Analysis of the Engine Cylinder BlockAbstract: In order to obtain the thermal field of the cylinder block, a 3D model created in CATIA was simplified before put into Hypermesh to get the FEA model. Then the thermal and heat exchange condition were calculated through operation process modeling based on A VL-Boost. Taking the thermal distribution as steady one and dividing the thermal condition of cylinder wall into parts, the overall thermal boundary conditions, including the outboard cylinder wall, crankcase inner wall and the one between cylinder and linker were presented, according to the experimental formulas. Meanwhile, the exchange coefficient and temperature distribution were given aiming at adding them to the surface of cylinder block. In the end, the total thermal distribution of cylinder block was finished by means of applying the MSC.MARC to analyze the thermal field.Key words: Cylinder Block, Heat Exchange Coefficient, Thermal Field, Boundary Condition, FEA1 引言近年来，随着计算机技术的迅速发展，特别是有限元方法和分析软件的日益成熟，在发动机研制开发工作中对零件进行有限元分析己成为辅助设计的重要手段。

发动机缸体温度场计算作者：田晶作者单位：中国一汽集团公司1.期刊论文吴庆亮.郭志平.孙双.贺向新.Wu Qingliang.Guo Zhiping.Sun Shuang.HeXiangxin新型二冲程微型摆式内燃机缸体温度场的有限元分析-小型内燃机与摩托车2007,36(4)在新型二冲程微型摆式内燃机(MFSPE)的设计及完善过程中,温度场分析占有重要地位.从数值计算所得的燃烧室周期温度曲线中,均匀提取32个载荷点,基于ANSYS软件按32个载荷步进行载荷施加及求解分析,得出了缸体各载荷步的温度场等效云图,并对部分有代表性的图从温度场的角度进行分析,提出了缸体改进设计的建议.2.会议论文尹庆华.范继林.张显宜.马俊杰.蔡宇.许毅.石利军.全胜灿.逄伟铸造一厂二线2S1002014-36D缸体压箱冷却温度场的测试2005本文介绍了在铸造一厂二线进行2S1002014—36D缸体浇注后压箱冷却条件下测试温度场的情况,得到了现生产条件下二线生产六缸缸体的压箱冷却曲线,为质量控制提供了依据,并对冷却曲线进行了简要分析。

3.学位论文周建荣发动机缸体浇注系统的优化设计与数值模拟2009缸体、缸盖是发动机上最重要、最大的铸件，是整个发动机生产中的难点和重点，其铸造工艺水平是决定发动机质量的基础条件。

近年来随着计算机技术的发展，计算机数值模拟技术已发展为铸造过程最具潜力的模拟预测工具，并在某些方面已经进入工业化应用阶段，成为铸造行业发展不可缺少的环节。

发动机缸体、缸盖的铸造一直是铸造行业的一个难点，将发动机缸体铸造过程通过数值模拟软件进行仿真模拟，使整个铸造过程清晰明了的表现出来，对实际生产有借鉴和指导的作用。

本文首先利用“大孔进水”理论对发动机缸体的浇注系统进行优化设计，并在初始设计方案的基础上进行改进，得到二种改进设计方案。

通过UG建立三种设计方案的三维模型，再利用Patran建立它们的有限元模型，然后在有限元铸造过程分析软件ProCAST中对三种方案的成形过程进行数值模拟，主要模拟了发动机缸体充型过程的速度场与温度场、凝固过程的温度场，以及对可能产生缩孔缩松等缺陷的区域进行预测。

文章编号:1001—2060(1999)02—0140—03汽轮机高压缸三维瞬态温度场计算与实验(哈尔滨七○三研究所)　刘殊一(大庆石油管理局技校)　梁　军(哈尔滨工程大学)　高璞珍[摘要]　汽轮机在快速冷态启动时,高压缸的热应力相当大,缸体易出现裂纹,文中根据某高压缸实型建立了高压缸三维温度场、热应力场的数学物理模型,确定了合理的边界条件。

利用有限元程序进行了三维瞬态温度场、热应力场计算,找出了在冷态紧急启动时,产生最大热应力的时间和部位,将计算结果与试验结果相比较,两者吻合得很好。

关键词　汽轮机　高压缸　瞬态温度场中图分类号　T P12621　前言 汽轮机机组的启动时间过长会造成严重的能源浪费,尤其是电站调峰机组,由于单机容量日趋增大和昼夜电负荷变化造成的频繁启动,有必要缩短机组启动时间,对机组进行快速冷态启动。

然而冷态快速启动会引起较大的温度梯度,随之产生较大的热应力和热变形,危及机组安全运行。

我国运行的高温高压机组中,有不少高压缸调节级处出现了裂纹,这基本上是由于启动和变工况运行时调节级区域温度变化剧烈,引起过大的交变热应力所致。

因而近年来人们展开了汽轮机温度场研究,以寻求最佳的结构和最佳的启动方式。

由于汽缸结构复杂、体积较大,对高压缸的瞬态温度场和热应力场都是采用实验手段测试的。

而测点的布置又是凭经验,所以测试的温度值和热应力值不一定是最大值。

目前由于有限元程序的开发和利用,对于汽缸瞬态温度场和热应力场的计算研究已成为可能。

本文针对25M W工业汽轮机高压缸进行了三维瞬态温度场计算。

在计算之前进行试验测试,在汽缸不同位置上分别布置了10多个测点。

在冷态快速启动时每隔三分钟记录一次温度值,测定使用电子电位差计。

本文采用汽缸温度场、应力场实验测试与理论计算相结合,确定汽缸上的应力水平,对保证汽缸结构设计和运行方式的合理性是有一定的实用价值的。

2　理论模型本文根据高压缸的具体情况做了以下假设:(1)高压缸是以子午面为对称的结构;(2)材料各向同性,材料的物性是温度的函数;(3)不考虑辐射换热的影响;(4)无内热源;(5)缸体外壁绝热,内壁按第三类边界条件给定;物体导热微分方程式的普遍形式为99t(ρCpT)=div(K・grad T)+q v(1)式中:T为温度,℃;t为时间,s;K为导热系数,WΠ(m2・℃);ρ为物体密度,kgΠm3;Cp为定压比热,kJΠ(kg・℃);qv为热源强度,WΠm3。

天然气发动机活塞温度场仿真计算与测试分析何永生;吴宇波【摘要】借助ANSYS有限元分析软件对新开发的天然气发动机的活塞进行额定工况点的温度场仿真计算,得到活塞此工况点的温度场分布和疲劳安全系数.同时利用硬度塞法对活塞在整个工作过程中的温度场进行测试分析,验证仿真计算结果的可靠性.仿真计算结果表明,活塞最高温度为316.4℃,位于燃烧室顶部,疲劳安全系数大于1.设计的活塞满足天然气发动机的工作要求.【期刊名称】《柴油机设计与制造》【年(卷),期】2017(023)004【总页数】4页(P5-8)【关键词】气体发动机;活塞;温度场;仿真计算;测试【作者】何永生;吴宇波【作者单位】龙口龙泵燃油喷射有限公司,龙口265701;上海柴油机股份有限公司,上海200438【正文语种】中文活塞是内燃机的一个重要零件。

由于活塞结构复杂、工作条件恶劣，其可靠性对保证发动机性能而言至关重要。

天然气发动机以其利用清洁能源，有利于节能减排的优势正在悄然兴起。

随着天然气发动机应用的逐步普及，天然气发动机所暴露的问题也逐渐增多，特别是活塞。

其与高温高压燃气直接接触，承受较大的热负荷，易产生开裂、烧蚀等问题。

本分析从研究活塞温度场的角度出发，利用有限元仿真软件，对天然气发动机活塞在工作状态下的温度场分布和疲劳安全系数进行仿真计算，并通过活塞温度场测量试验来验证有限元仿真计算的可靠性，为天然气发动机活塞的设计提供相关指导。

2.1 活塞3维建模及网格划分在有限元分析之前，对仿真对象进行建模和网格划分。

研究的活塞带敞口型燃烧室。

根据活塞的CAD设计图纸，利用Pro/E建立了活塞的全尺寸3维模型，如图1所示。

考虑到活塞对称性，取活塞、活塞销和连杆小头的1/2模型作为有限元分析模型，划分有限元网格。

活塞有限元网格如图2所示，活塞有限元网格信息见表1。

为了使仿真结果更加精确，可根据情况调整网格结构，并对必要部位进行适当修正。

2.2 活塞材料及边界条件活塞材料为BH122A（牌号），其主要物理机械性能见表2。

基于缸内燃烧分析的发动机金属温度场计算方法丁宁;徐政;陈明;张小矛;王玲芳;邬文睿【摘要】为了提高发动机缸盖、缸体金属温度场分析的准确度,提出了一种基于缸内燃烧分析的发动机金属温度场分析方法.首先,基于发动机的标定信息,进行了缸内的燃烧分析,研究了各部分边界上的对流传热量;其次,进行了水套的流动分析,对其传热系数进行了评估;再次,考虑了活塞环与缸壁的摩擦换热及活塞与缸壁的热传导;最后,基于上述的热边界条件进行了金属温度场的计算,并与试验进行了验证.结果表明:采用该算法,缸盖、缸体金属温度场分布比较合理,监测点温度与试验比较吻合.【期刊名称】《内燃机工程》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】6页(P127-132)【关键词】发动机;燃烧分析;传热系数;摩擦;热传导【作者】丁宁;徐政;陈明;张小矛;王玲芳;邬文睿【作者单位】上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TK464发动机缸盖、缸体的结构温度场计算作为发动机CAE的重要内容，是缸盖、缸体强度分析的重要组成部分，同时也是高周疲劳分析、低周疲劳分析的基础，在整个发动机CAE分析体系当中具有十分关键的作用[1-2]。

但是，该温度场的计算受到气体侧对流传热、水侧对流传热、活塞与缸壁的摩擦换热、活塞与缸壁的热传导及金属的材料属性等多种因素共同影响，计算难度比较大。

航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现航空发动机是航空器中最重要的组成部分之一，其性能直接影响到飞机的安全、经济性和可靠性等方面。

而航空发动机的流体力学行为和温度场分布则是其性能评估和优化设计的重要参数。

在航空发动机的设计和研究中，常常需要进行流体力学和温度场的计算，以便了解发动机内部的气流情况和温度分布，并进行流场优化和温度控制。

1.气流分布研究：确定发动机内部的气流分布情况，例如进气道、压气机、燃烧室、高压涡轮和喷管等部位的气流速度、压力和温度分布等。

这些信息对于评估气流控制和热传导等问题非常重要。

2.组件间相互作用研究：航空发动机中的各个部件之间相互作用的流体力学问题，例如进气口和压气机之间的气流导向、叶片和压气机之间的气动性能等。

这些相互作用的研究对于发动机整体性能的评估和优化设计具有重要意义。

3.气动噪声研究：航空发动机的气流振动和气动噪声也是一个重要的研究问题，需要通过流体力学计算，了解气流对发动机和周围环境的噪声产生和传播情况，并进行噪声控制。

1.温度分布研究：航空发动机中的各个部件的温度分布情况对于发动机的热设计和材料选择具有重要意义。

通过温度场计算，可以了解到发动机内的高温区域和冷却区域，以及热传导路径等信息。

2.热应力分析：航空发动机工作时会产生高温和高压的环境，这对发动机材料的热应力性能提出了很大的要求。

通过温度场计算，可以评估发动机零件的热应力情况，以指导材料选择和结构设计。

3.热管理研究：航空发动机的热管理是一个重要的课题，需要合理的冷却系统来控制发动机的温度分布。

通过温度场计算，可以优化冷却系统设计，提高发动机的热效率和可靠性。

ANSYS在航空发动机流体力学和温度场计算中的实现：ANSYS是一种常用的工程模拟软件，可以进行流体力学和热传导等问题的数值计算。

1.流体力学模拟：ANSYS提供了流体力学模块，可以模拟航空发动机内部的气流分布，了解气流速度、压力和温度等参数的分布情况。

1.问题描述：对188MQ水冷缸体进行校核，考察是否满足设计要求.2.问题分析：主要是分析缸体的模态、温度场、热应力、热变形和刚度。

3.缸体分析过程：3.1自由模态计算分析建立有限元模型，采用3mm网格尺寸。

缸体材料属性：铝合金弹性模量取72000，泊松比取0.3，密度为2.7e-9T/mm3。

对1~12000Hz频率的模态进行计算。

自由模态计算结果前四阶模态2183Hz 2849Hz3062Hz 3344Hz4010Hz由上述可知缸套在特定的频率内无局部振型，缸套头部出现的振型在施加螺栓预紧力后可消除。

3.2温度场计算3.2.1边界条件缸体的热传导系数取163W/m*k，比热为900J/（kg0C）；水的热传导系数取1500W/m*k；机油温度400K，环境温度300K。

边界条件如下所示：在燃烧室位置施加2625.14°的一个周期气缸等效温度值，温度施加如下：3.2.2温度场计算结果缸体计算结果，最高温度485K由分析结果可知：温度场分布均匀，小于设计要求最高温度550K满足要求。

3.3热应力计算边界条件导入温度场的计算结果和对缸套顶部施加一个轴向和径向的约束，如下图所示; 计算结果由计算结果可知:缸套的热应力为164.4Mpa ，小于设计要求300Mpa。

3.4热变形计算由计算结果可知：左右11.8+10.3=22.1S,前后10.0+10.3=20.3S,变形差22.1-20.3=1.8S，缸套的径向热变形差小于4S。

满足设计要求。

3.5螺栓预紧力下刚度分析3.5.1密封性分析参考标准计算值结论缸体下端面>1Mpa 15.3Mpa 合格3.5.2缸套变形分析左右1.91-0.45=1.46S ,前后1.15-0.18=0.97S,变形差1.46-0.97=0.49S小于2S，满足要求。

3.5.3缸体侧压力分析缸体底面约束3个方向自由度，在活塞位置施加气缸体侧压力5200.2N。