基于ANSYS的发动机活塞三维温度场计算（终稿

1、第一章 引言活塞作为发动机最主要的受热零件之一,它的工作情况直接关系到内燃机的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能，其性能的好坏直接影响整机的性能。高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部乃至整个活塞温度很高，且温度分布很不均匀，导致活塞产生热应力和热变形。随着内燃机在强化程度和热负荷水平上的大幅度提高，由于特殊工况，而导致的热负荷问题更加突出。如何正确模拟内燃机的特殊工况，准确计算活塞的温度场是解决这个问题的关键。如果得到其温度场,便可有目的地进行设计,减小热负荷。有限元方法的基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将

2、微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。因此，对活塞进行温度场、应力场以及热负荷和机械负荷共同作用的藕合应力场进行有限元分析，了解活塞的热负荷和综合应力分布情况，进而改进活塞，提高其工作可靠性具有重要意义。本文利用Pro/Engineer软件的实体建模方法，建立了某汽油机活塞的三维实体模型，对其温度场在三维有限元软件ANSYS中进行了模拟分析。1.1活塞热状态概述活塞是内燃机中处在非常不利的条件下的一个重要零件1。活塞受高温燃气周期行的加热作用。燃气的最高瞬时温度一般都高达1600 1800，燃气平均温度

3、也高达600 800左右。随着内燃机的平均有效压力和活塞平均速度的不断提高，就伴随着燃气最高温度和平均温度相应升高。高温燃气与活塞顶面通过对流和辐射两种方式将热量传给活塞，从而使活塞组的热负荷显著提高。评定活塞热状态首先是活塞顶的最高温度，一般活塞顶的最高温度高达300 350左右，随着汽缸直径增大则其最高温度更高，再加上大缸径活塞其壁较厚，则内外壁面的温差较大，从而使产生的热应力也较大。内燃机的活塞，值从机械强度方面来衡量往往是不够的，还必须保证活塞适当的热状态。换言之，强度计算必须由热应力计算做补充。在大型低速内燃机中其热应力甚至比机械应力大数倍。由于活塞顶部温度过高，在达到一定限度后材料

4、强度显著降低，一般铝合金当温度达300左右时机械强度要下降50%左右，在350摄氏度左右已达到其材料允许极限，温度达到380 400以上就不能保证继续可靠的运转。除此之外，在高温条件下材料的抗弹性变形和抗塑性变形的能力也随之下降，还会出现高温蠕变，甚至会在局部区域（如燃烧室喉口尖角处，火焰冲击区域）出现热点。局部温度更高就会产生塑性变形，热裂甚至烧损。由于活塞顶部温差较大会产生很高的热应力，从而使活塞出现疲劳裂缝损坏。评定活塞热状态除了活塞顶最高温度和热应力外，第一道环槽温度也是重要的。第一道环槽温度过高使环带处润滑油结胶，结碳，致使活塞环卡死在环槽中，引起漏气和串油。由于密封恶化，炽热的燃气

5、窜过活塞环，使活塞的温度进一步提高，同时使输出功率下降，严重时引起活塞环折断和拉缸事故。一般认为第一道环槽温度在200以下长期使用不会发生结胶，结碳，当温度超过200那么没超过10结碳增加一倍，若超过240 250就会严重结碳甚至活塞环卡死，当然这还与润滑油品质和使用条件有关。从燃气传入活塞顶的热量一般约为燃料燃烧总热量的2 4%，约占传给冷却水热量的33 58 %。由活塞传给汽缸壁的热量通过活塞环，活塞销，活塞内表面的空气，油雾和冷却油腔的冷却油带走。其散热途径与活塞结构和冷却的方式密切有关。一般没有冷却油腔的或是大部分热量（62 67 %）系通过活塞环散去，而有冷却腔的活塞大部分热量通过冷

6、却油带走，经过活塞环散去的热量仅为2 40 %左右。这样第一道活塞环的热负荷就显著降低，但活塞顶部的热应力就显著增加。因此对不同冷却方案它们的结构设计和热状态就全然不同。综上所述，内燃机活塞式一个在很不利的受热状态条件下工作的零件，活塞的使用可靠性在很大程度上影响整台内燃机的使用可靠性。并且在某种程度上将限制内燃机升功率进一步提高。而其中活塞的热状态是主要的一个因素。要评价活塞的热状态，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

7、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。1.2活塞温度场测试概述目前，活塞设计多采用经验值和理论计算(如有限元分析等) 来预测活塞在发动机中运行时的温度场分布2。但该方法受到一些因素的制约(如活塞型式，边界条件等)，只能近似模拟活塞温度场，如想得到真实的数据,必须进行装机试验。目前国内外公司采用的活塞温度场测试方法主要有以下几种:1.2.1硬度塞法硬度塞法测试温度的原理是利用经过淬火的某种金属材料(一般采用GCr6、Cr15 等) 在加热后产生永久性硬度变化,在不同的温度下进行回火,其表面硬度也将不同的现象。这种硬度的最后变化,既取决于它所承受的最高温度,又取决于此温

8、度所延续的时间。因此,将金属材料加工成小螺钉,如图1 所示,并预先测出其温度- 硬度曲线,在测试时,把小螺钉装在被测零件上,当发动机按一定工况运行一定时间之后,取下这些小螺钉,并在硬度计上测出表面硬度,再根据该金属材料的温度- 硬度曲线,即可得到温度数据。此法为目前国际通用的方法。该测试方式精度(5 25 ) 与硬度塞材料的均匀性、热处理工艺及控制等均密切相关,人为的操作误差影响也较大,需要有一定经验的专业人员来操作,硬度计上测定刻痕长度的光学计量精度也有一定影响。其优点是操作简单,成本较低,只需在待测部位加工出螺纹孔,安装硬度塞即可进行试验,无需热电偶导线和其它试验系统装置。图1.1该测试方

9、式只能得到某一工况下的最高温度。在试验前必须确保螺钉安装的准确、可靠性及空隙,防止螺钉蹦出螺孔。1.2.2残留硬度法利用铝合金在高温状态下硬度降低现象,直接进行活塞温度分布测量,这是应用硬度法测温度的简易原理。该测量方法是通过从与被测活塞相同的活塞(铸造后,热处理前,未加工) 上切下适合温度测量的一定厚度的圆板,在测温的一面适当加工,放在恒温炉中,在测定温度范围内每隔25 依次保温10 小时、25 小时,然后在常温下测量其硬度,并绘制该合金的硬度- 温度曲线。再将被测活塞装入发动机中,在一定的转速、负荷下运转,其运转时间和与制取硬度- 温度曲线相同。在实验过程中,发动机点火提前角、供油量、油温

10、、水温以及影响温度的因素应尽量保持恒定,特别是不允许产生爆震等异常燃烧现象。试验后取出活塞,从活塞上切下预测温部分,用硬度计测量硬度。然后利用已制成的硬度- 温度曲线,把硬度换算成温度。此种方法测量精度更低,不适用于测量活塞温度的绝对值,但它却是测量活塞温度分布的较好方法。为了避免相邻测点间的硬度影响,测点间隔一般不小于4mm ,测点距离边缘距离也要大于4mm。1.2.3易熔合金法易熔合金法的原理是利用纯金属或共晶转变的各种不同成分的合金有不同熔点这一物理特性进行试验,见图1.2。易熔合金的冶炼需要有专门的技术,熔点一般在90400 之间。图1.2利用易熔合金测量温度的关键是预先估计所测部位的

11、温度大致范围及易熔合金丝的装配质量。在安装易熔合金时,须以不破坏原零件的温度场和传热为原则(这也是其它测试方式的原则) 。如果易熔合金丝与零件上的孔之间接触不良、积炭、残留合金或有小变形,或者燃气进入缝隙等情况,将导致热阻增大或改变热流方向,都会影响测试的准确性和精度。为了能较准确地测出测试部位的温度,应在欲测部位装入能包含该温度的几个相连续温度的易熔合金丝。在装配易熔合金之前,活塞要经过充分磨合, 并将发动机性能调整至正常状态。将装好易熔合金的活塞装入发动机,再稍加磨合。在磨合时,应在小负荷工况下磨合,并特别注意控制发动机冷却水温、油温以及避免爆震燃烧和猛轰油门。易熔合金丝直径有的采用2.

12、7mm。为了使易熔合金丝和孔接触良好,可用专用工具轻轻敲实,其顶部应修整成与零件表面齐平,并用带孔冲头收口,避免易熔合金丝受振动或惯性力的作用而窜出。测温结束之后,检查活塞易熔合金的熔化情况,对个别测温点所装易熔合金丝全部熔化或不熔化的情况,应重新选择易熔合金丝进行试验。此时应将原测温孔中的积碳和残留合金等清理干净之后,再装入新的易熔合金丝。特别注意的是,第二次测试时,发动机工况、冷却水温、油温等试验条件应保持与第一次相同。应尽量减少重装次数,若重复三次以上,则测试精度很难达到要求。值得注意的问题是,应将安装易熔合金丝的位置、顺序、熔点值记牢,不要把易熔合金丝弄错,以免难于分析原因。 1.2.

13、4四连杆机构法图1.3以上测试方法均属于非电量测量法。还有一种热电偶测量温度法,通过热电偶导线把活塞温度传出发动机外,属于接触式测量,需要有专门的机构把热电偶导线引出发动机。一般采用四连杆机构法,如图1.3 所示。把热电偶线固定在特制的联接机构上,以防止热电偶丝发生折断。当活塞在发动机内部上下运行过程中,关节A 既作直线运动又作旋转运动,而关节B 以通过摇臂6 的销的支点C 为中心作摆动运动。为了使连杆机构在运动过程中不与连杆、曲轴、缸体等零件相碰,支点C 的位置应于关节A 上下止点的中间水平位置,并在同一平面内。该方式结构复杂,容易发生故障。1.2.5红外遥测法最近山东滨州渤海活塞股份有限公

14、司成功应用了红外遥测方式测量活塞温度场分布,该法属于电量测量法。它利用红外线作为温度信号的链接,延长了测量装置的信号,显著提高了信号传输的可靠性。组成及性能简介如下:1.2.5.1 发射信号的载体采用红外线:红外线具有穿透力、抗干扰能力强的特点,可以在复杂的电磁环境中有效地提高抗干扰的能力,减小数据传输中的误差。1.2.5.2 信号发射装置的能源供应:发射机构是利用红外线的发射机构进行红外线的发射,对试验用电源提出了极高的要求,需承受高达6004000 g/s2 的加速度,同时必须具有抗高温、抗振动性能。1.2.5.3 温度传感器:常用的有热电偶、热敏电容、热敏电阻等。由于热电偶测温范围宽、安

15、装方便等特点,在内燃机温度测量中得到了广泛的应用。同时热电偶属于国际标准化产品,参照热电偶的热电特性曲线,综合考虑测量范围和线性情况,我公司选用的是K型热电偶。图1.4 为标准热电偶热电动势曲线。图1.4试验中,热电偶导线必须经过绝缘处理或两导线之间填充绝缘材料,以防止改变热流,影响测量精度。热电偶丝把活塞温度值迅速传输,利用活塞上安装的电路板,把温度信号转换成数字化信号;而安装在活塞上的红外线发射机构负责将信号发射出去;信号由安装在油底壳的接收部分接收,复原成温度信号传出发动机外。通过接口电路传给计算机,由计算机进行活塞温度的后续处理。图1.5 所示为遥测系统原理图。国外发动机研究所的试验，

16、其工作原理也是利用红外遥测技术,其最高温度可达314 ,而发动机最大转速最大是5000r/min。图1.5在活塞设计初期期望更快速、更详细、更高活塞组件性能的设计,这就要求新型高精度测量技术与之适应。1.3有限元分析的基本原理及优缺点1.3.1 有限元分析的基本原理有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分 方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式 ，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。利用有限元法进行温度场分析的基本思想是3：将一个连续

17、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的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。对于所计算的活塞,无内热源,边界为对流换热边界条件,属于第三类边界条件,换热系数和介质温度(活塞的环境温度) Tf 根据实测温度和计算结果估计。则其传热方程为:对应的泛函公式为:式中,为导热系数,W/ (mK) ;为对流换热系数,W/ (m2K) ; Tf 为介质温度; S 为活塞边界。划分单元的泛函表达为:活塞的总的泛函为:泛函取极值的条件为:其中,Jc 为单元与整体边界重合部分; N 为节

18、点总数。1.3.2有限元法的特点1.3.2.1有限元法的优点 在当前众多的CAE的技术中，有限元法(Finite Element Method：FEN)能广泛被人们接受，而且应用领域也越来越广泛，很显然有它自身的优点: (1)有限元法将整个系统离散为有限元个单元，利用能量最低原理与泛函数值定理将整个系统的方程转换成一组线性联立方程组，从而可以用多种方法对其求解。 (2)有限元法在分析计算过程中边界条件不进入单个有限元方程，而是在得到整个代数方程后，再引入边界条件。这样，内部和边界上的单元都能采用相同的场变量模型。同时，当边界改变时，内部场变量模型不需要改变。因此整个处理过程简明。 (3)有限元

19、法不需要适用于整个物体的插值函数，而只需要对每个子域单元采用各自的插值函数，这就使得其对复杂形状的物体也能适用。(4)有限元法能够很容易求解非均匀连续介质，而其他方法处理非均匀性则很困难。该方法还能够在不同层面上得到阐释或理解，对于线性或非线性场合也能适用。(5)该方法能够在不同层面上得到阐述或理解。对有较深数学知识的人来说，完全可以用数学语言来描述，并获得严格的推理。而对一般工科学生来说，可以只从物理层面上得到理解。1.3.2.2有限元法存在的不足 有限元分析方法也有不足，最主要体现在如下应用问题上: (1)有限元法在对整个区域做离散处理时，尤其是在对复杂零件问题的分析上，需要庞大的资料输出

20、空间与计算机内存，所耗费的计算资源是相当惊人的。 (2)对无限区域问题，有限元法处理起来比较困难。 (3)尽管现在的有限元分析软件提供了网格自适应方法和自动划分技术，但到底采用什么样的单元、网格密度多大合适等问题完全依赖于经验，而且对于六面体单元的网格自适应和自动化分技术还不完善。 (4)有限元分析法并不是计算辅助工程的全部。一个完整的机械设计不能单独使用有限元分析法来完成，有限元分析法所做的分析只是整个设计流程中的一部分或大大部分，必须结合其他分析软件和工程实践才能完成全部的工程设计问题。1.4 有限单元软件ANSYS发展概述ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用

21、有限元分析软件4。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),边界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、

22、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析

23、及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。ANSYS发布10.0新版本美国宾夕法尼亚州6月2日消息：作为优化产品研发流程的仿真技术及软件的开发者和革新者，ANSYS公司（纳斯达克股票代号：ANSS）今天发布ANSYS 10.0新版本。新版本在性能、易

24、用性、协同工作及耦合技术，如流固耦合，等方面有很大提高。10.0新版本是在目前的9.0软件的基础上研发的，与其有很好的兼容性，将于7月正式投入市场。延续了ANSYS一贯强大的耦合场技术，10.0版本为复杂的流固耦合（FSI）问题提供了更完善的解决方案。该版本整合了世界一流的应力分析和流体分析技术，形成了一套完整的FSI解决方案。通过适合于特定场要求的网格划分，一个单一的几何体可以应用于两种场。该版本提供了有效地解决FSI动力学分析的信息交换功能。目前市场上没有任何其他的FSI软件可以提供如此强大的稳健性和高度的精确性分析。另外，该版本可以在多个机群进行并行处理解决超大模型。“ANSYS 10.

25、0代表了最先进的CAE整合技术，较9.0有了显着的提高” ，ANSYS公司总裁兼首席执行官Jim Cashman说，“我们一直致力于拓展ANSYS仿真技术的广度和深度，同时建立各种类型的仿真分析软件的空前大连盟。得益于ANSYS Workbench整合CAE技术的架构，我们创建了建模、仿真、分析、前后处理的一系列无缝链接。10.0新版本整合了世界上最优秀的结构、热、流体等分析功能。”ANSYS10.0加入了旋转机械和叶片设计工具，丰富了Workbench环境下的行业化功能。即ANSYS BladeModeler，一款针对旋转机械叶片构件的高效的三维设计工具；以及ANSYS TurboGrid，

26、一款高质量的叶片设计六面体网格划分工具。“结合了ANSYS CFX和涡轮专用的前后处理CFD功能，10.0版本提供了涡轮机械设计和分析完整的解决方案，”ANSYS公司副总裁兼总经理Chris Reid说，“应力分析、计算流体动力学分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通过CAD系统连通性，可以把模型扩展到上下游部件，最终完成整个模型的分析。ANSYS Workbench是提供此功能上独一无二的环境，借此空气动力学工程师可以进行CFD设计，同时确认结构特征。这将大幅度缩短设计流程。”在机械应用领域，ANSYS 10.0包括了ANSYS Workbench下全部的热瞬态分析功能。这不仅帮助用户进行

27、非常复杂的时域仿真，同时ANSYS Workbench也可自动完成很多建模和求解工作。这样可以轻松快速地求解设备在一定运行时间内的热性能。为了满足日益增加的对大型复杂问题及时有效的分析需求，ANSYS 10.0的并行求解器如今可增加了对CPU和通信技术的选择余地。除了支持Ethernet和Gigabit Ethernet，ANSYS 10.0还支持Myrinet和InfiniBand。相对于以前的架构，ANSYS 10.0能以最少的成本满足高性能的机群计算。本着以低成本硬件设备提供高性能解决方案的目标，ANSYS Workbench现可支持Windows XP 64位机的AMD和EMT64芯片

28、集。此项改革解决了许多用户在Windows操作系统下运行大型模型所面临的2GB内存限制。另外，它也使得ANSYS用户不再需要写硬盘就能完成整个求解，从而节约求解时间。对于用户，这将帮助他们更加经济有效地解决大型模型问题，如那些低频稳态和全瞬态电磁分析问题。ANSYS 10.0并行求解器可以解决高于一亿自由度的大型电磁问题，在CAE行业独树一帜。在高频电磁领域，10.0版本提供了一个新的模式端口。此端口大大简化了集成电路（IC）、射频识别(RFID)和射频微机电系统(MEMS)等多种设备分析传输线端口的建模。标准算例显示，利用此端口建模，可以显着缩小模型尺寸，在保证精确的频域计算结果前提下，节约

29、30到50的求解时间和内存需求。新版本增加了旋转机械的陀螺效应，它提高了ANSYS对涡轮机械和其他旋转结构的转子动力学分析的能力。 在耦合场领域，结构热电磁三场耦合分析中增加热弹阻尼(TED)，一个在金属、制陶及MEMS领域非常重要的内耗装置。ANSYS继续Workbench主旋律，提供我们的用户可供选择的全自动或个人控制的强大分析软件。我们在核心的网格处理技术上有十足的增强，在ANSYS Workbench各个应用程序间共享网格。另外，双向参数互动的CAD接口的稳健性也得到了提高。ANSYS® ICEM CFD 10.0通过混合网格剖分新功能和CAD模型细节处理功能，提供了完整的一系

30、列网格划分工具以模拟真实世界，如汽车引擎罩下的散热分析和汽车碰撞分析。“ANSYS 10.0是ANSYS跨出的又一大步，在每种场都是这样，也包括各种场在ANSYS Workbench的耦合，”ANSYS公司副总裁兼总经理Mike Wheeler说，“没有其他任何一家CAE公司可以与我们相匹敌，在一个单一的CAE环境下提供如此广泛的解决方案。”ANSYS DesignSpace 通过DesignSpace，设计工程师可以在产品设计阶段对3D CAD中生成的模型（包括零件和装配件）进行应力变形分析、热及热应力耦合分析、振动分析和形状优化，同时可对不同的工况进行对比分析。ANSYS/DesignSp

31、ace拥有智能化的非线性求解专家系统，可自动设定求解控制，得到收敛解；用户不需具备非线性有限元知识即可完成过去只有专家才能完成的接触分析。ANSYS软件提供的分析类型如下：1.结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。2.结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力

32、学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。3.结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。4.动力学分析ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。5.热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。6.电磁场分

33、析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。7.流体动力学分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。8.声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确

34、定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。9.压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 实体建模 ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自

35、底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球 、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块 、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANS YS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作 能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括 圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体

36、、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和 删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 网格划分 ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由 划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后 选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了 用户对各个部分分别划分然后进行组装

37、时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户 指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差 低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也

38、可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。其中，ANSYS进行热分析计算的基本原理是所处理的对象首先划分成有限个单元（每个单元包含若干个节点），然后根据能量守恒原理求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出个节点温度值，继而进一步求解出其他相关量。第二章 活塞模型的建立，导入和划分单元2.1 活塞的建模和模型的导入本文中，先在 Pro/Engineer 中先画出此汽油机活塞的截面的一半，

39、然后以截面的中心一端，即活塞的中心线为轴旋转180进行活塞的建模。得出活塞的二分之一的图形。再画上活塞销孔和肋板。最后进行部分的圆角等修改。就得出如图2.1所示二分之一活塞模型。图2.1 在 Pro/Engineer 中建立的活塞模型建立好模型后，下来要往有限元分析软件ANSYS里进行导入。导入模型。打开 ANSYS 软件，Utility Menu File Import IGES 。如图2.2所示，点击OK。然后在弹出的 Import IGES File 中点击 Browse 在文件夹里选择刚画好的 Pro/Engineer 图形（在Pro/Engineer的保存路径里），如图2.3中所示，

40、点击OK，图形即被成功地导入到ANSYS中，如图2.4。图2.2 Pro/Engineer中所建模型的导入步骤一图2.3 Pro/Engineer中所建模型的导入步骤二图2.4 成功导入到ANSYS里的模型2.2模型的设置及模型的网格划分2.2.1 模型参数的设置2.2.1.1确定jobname、title 依次点击Utility Menu File change jobename 输入HUOSAI REFENXI。依次点击Utility Menu File change title 输入Steady-state thermal analysis of HUOSAI5。2.2.1.2定义单元类

41、型，设定单元选项 本文中，把将要划分的模型节点及单元设置为十节点四面体单元。弹性模量设置为，泊松比设置为0.3，材料密度设置为，导热系数设置为。进入PREP7前处理。依次点击Main Menu: Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete,选择SOLID87(即十节点四面体单元)。然后依次点击Main Menu: Preprocessor Material Prop Structural Linea rElastic Isotropic，如图2.5，在EX里填写6.86E+010（弹性模量），在PRXY里填写0.3（泊松比0.3）。依次点击Main Me

42、nu: Preprocessor Material Prop Structural Density，如图2.6，在DENS里填写2800（材料密度）。依次点击Main Menu: Preprocessor Material Prop Thermal Conductivity Isotropic，如图2.7，在KXX里填写130（导热系数）。图2.5 弹性模量和泊松比的设置图2.6 密度的设置图2.7 导热系数的设置2.2.2有限元网格生成2.2.2.1有限元网格生成技术概述有限元网格模型的建立通常需要非常大的工作量。随着有限元技术的广泛使用，有限元网格生成技术和可视化研究得到发展，基本上可分两

43、种类型：（1）直接建立节点、单元模型 由于软件功能相对有限，早期的有限元模型只能采用手工方式建立，但软件的可视化方面已有较大进步。对于发动机中某些具有重复结构的零件，可以首先通过手工建立一部分节点和单元，然后通过旋转拷贝、平移拷贝合并等操作建立整个模型，从而得到较高的建模效率。用这种方法建立有限元网格模型的缺点是需要较多的时间和人力，对于大规模的复杂结构，模型可能因此作较大的简化，而且节点坐标、单元信息、边界条件均需手工计算;优点是它具有易于控制单元类型、节点密度等优点，现在许多具有很强的前处理功能的大型有限元分析软件仍保留着这种建模方式，随着软件在交互性、可视化方面的发展，这种建模方式在使用

44、方便性上有了较大的提高。（2）基于几何模型自动生成节点、单元模型 近年来，有限元法前处理技术中的一个特点是引入CAD几何造型(特别是三维实体造型)技术。以几何模型为载体，可以自动生成相应的有限元网格模型。用这种方法生成网格，可以通过指定不同区域的单元大小来控制网格密度使之合理。这种基于三维实体模型建立有限元网格的技术符合CAD并行工程的要求。现代CAD并行工程要求分析模型能充分利用设计主模型，并与设计主模型相关一致，这显然可以极大地提高分析结果的可信度，同时也大大提高了有限网格模型的生成速度和分析效率，这对于有限元分析的实际应用具有重要意义。通过许多大型CAD软件(UGTM，Pro/Engin

45、eerTM等)，几乎可以不加简化地建立发动机中许多复杂零部件的有限元网格模型。目前，发动机的主要零部件包括机体、缸盖、曲轴、活塞、连杆、增压器、涡轮、压气机等，都可以根据CAD实体模型直接建立非常精确的有限元模型，为这些以前几乎无法进行可靠性的零部件，提供了一条可行的设计途径。2.2.2.2模型的划分一般来说，单元划分得越小，单位区间或空间内所容纳的单元数量越多，计算精度就会越高。但单元数量的增加会带来运算速度的下降，因此在实际建模和网格划分过程中需根据具体情况灵活处理。比如，在模型中形状复杂或温度变化剧烈的区域把单元划分的密一些；而在其余地方则可以把单元适当划分疏一些。这样就无须增加单元和节

46、点数，即可提高计算精度。为使热量分散的区域计算结果更精确和保证计算速度不至于太慢，本文中将活塞划分为上下两个部分，采用上下分别划分的方法，上面划分的较细，网格较密，下面划分的较粗，网格较疏。将活塞划分为上下两个部分的操作步骤：分别点击Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increments ,在X.,Y,Z Offsets中输入0，43，0（将坐标系上移43个单位）；在XY,YZ,ZX Angles框中输入0,90,0（将坐标系以X轴旋转90度），点击OK;依次点击：Main Menu Preprocessor Modeling Operate Boolea

47、ns Divide Volu by WrkPlane(进行布尔操作)。此时活塞划分成上下两个部分，如图2.8。图2.8 划分为上下两部分的活塞活塞网格划分：依次点击Main Menu: Preprocessor Meshing Size Cntrls ManualSiza Global Size 在 Element edge length 里设置为1（活塞网格单元大小设置）。再依次点击Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Volumes Free，弹出Mesh Volumes对话框在图形中选择活塞的上面部分，点击OK，对活塞的上半部分进行划分。再依次点击Ma

48、in Menu: Preprocessor Meshing Size Cntrls ManualSiza Global Size 在 Element edge length 里重新设置为0。鼠标依次点击Main Menu: Preprocessor Meshing Size Cntrls SmartSize Basic ，在新弹出的对话框Basic SmartSize Settings里选择3，对活塞下面部分划分质量的等级进行设置，点击OK。再依次点击Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Volumes Free，弹出Mesh Volumes对话框在图形中选

49、择活塞的下面部分，点击OK，对活塞的下方部分进行划分。划分好的活塞，共计有个节点和个单元。如下图2.9和图2.10所示：图2.9 划分后的实体(1)图2.10 划分后的实体(2)第三章 活塞温度场计算及分析3.1边界条件的确定为了使得每一节点的热平衡方程具有唯一解,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。进行活塞热负荷研究的关键在于是否能够得到一套精确的热边界条件6. 由于柴油机工作过程中活塞的换热情况比较复杂,热交换边界条件受到燃烧结构形状、燃烧方式、冷却方式及冷却介质热物性等很多因素的影响，因此使得精确确定活塞的换热系数十分困难。关于活塞换热边界条件的计算，至今仍然是国内外

50、内燃机科技工作者所要解决的难题。文献7通过对活塞的换热系数变化规律的研究提出自适应迭代法找出换热系数的迭代关系式。通常确定换热系数的方法是根据经验或半经验的计算公式计算或估算而给出的8,9。用这种方法得到的热交换边界条件来计算活塞的温度场,其计算精度能满足工程需要. 本文中以16V280ZJB为例对活塞边界条件的计算方法进行介绍。确定热交换边界条件主要是要确定组合活塞各边界与高温燃气、冷却水、冷却油以及与曲轴箱内油雾之间的热交换系统和相应的介质温度.3.1.1活塞顶燃气侧换热边界条件的确定活塞的热负荷是根据柴油机的理论示功图,通过采用工作循环热力学计算法算出气缸内的瞬时燃气温度Tg , 选用目

51、前通用于大功率柴油机的Woschni 经验公式4 来计算出燃气对壁面的瞬时对流换热系数hg (Wm- 2K- 1) .式中: d 为壁面直径,mm; vm 为活塞平均速度,ms - 1 ; pg 为瞬时燃气压力,105 Pa ; Tg 为瞬时燃气温度,K; 104 ,属于充分发展的湍流受迫流动,对于管内充分发展的湍流换热,可采用Dittns2Boelter 公式:式中: N u 为努塞尔数; Re 为雷诺数; Pr 为普朗特数; D当为水套的当量尺寸;f 为导热系数,其值为0. 68 Wm- 1K- 1 . 根据冷却水的参数,可以求出组合活塞在工作状态下,水套内冷却水在已知水温下的普朗特数Pr

52、 为1. 95. 根据水套的几何尺寸求出其当量直径D当,代入式(3) , 则缸套和冷却水之间的换热系数hw 为3 595. 05 WmK- 1 .3.1.4火力岸部位的换热系数式中: a1 为火力岸与缸套之间的间隙,m; b1 为缸套厚度,m;1 为燃气的导热系数,Wm- 1K- 1 ;2 为缸套的导热系数,Wm- 1K- 1 .3.1.5环区部分的换热系数h环区在环区部分,热量是从活塞环槽同活塞环之间的润滑油膜开始经活塞环到气缸壁而传至冷却水的. 由于活塞环径向尺寸、油膜厚度、缸壁厚度都比活塞直径小得多,故采用多层平壁传热的情况来研究.式中: c 为环上沿间隙,m; b 为缸套厚度,m; d

53、 为环中心间距,m;3 为活塞环的导热系数,Wm- 1 K- 1 .3.1.6组合活塞接触部位换热系数的确定对于钢顶铝裙组合活塞顶部环形接触区域的换热系数,即两个金属表面之间的接触热阻主要取决于这两个表面的实际接触导热性和接触表面不平度之间所存在的介质导热性,两个金属表面之间的接触热阻可由下式来计算:式中: R 为接触热阻,Wm- 2K- 1 ;c 为接触表面间所存在的介质的导热系数,Wm- 1 K- 1 ; hc1和hc2分别为两个表面的微观不平度平均高,m; p 为接触表面之间的单位压力,Pa ;B 为接触表面材料的强度极限值,Pa ;M为接触表面材料的导热系数,Wm- 1K- 1 ,如两

54、表面的材料不同可取M = 2M1M2/ (M1 +M2) ,M1和M2分别为两种材料的导热系数.3.1.7活塞内冷油腔的换热系数高强化柴油机组合活塞的冷却方式主要有两种,一是通过曲轴、连杆和活塞销的供油方案；二是喷嘴直接供油等. 由于供油方式的不同,活塞表面的换热系数计算方法也不同. 16V280ZJB 机车柴油机采用通过曲轴、连杆和活塞销的供油,具有振荡油腔的组合活塞,对这种油腔,一般采用管流试验数据综合出来的Bush 经验公式10:式中: D3为换算直径, D3= D当/ b , b 为内腔的平均高度,m.经计算,组合活塞环形冷却油腔的油量直径D当为33. 6 mm ,平均高度b 为20

55、mm ,故D3为1. 68 ;而中央冷却油腔的当量直径D当为42. 43mm ,平均高度b 为22 mm ,故D3为1. 93. 因此中央振荡冷却油腔内的平均换热系数和周围环形冷却油腔的平均换热系数就可以求出.3.1.8活塞裙内腔与油雾的换热系数活塞裙内腔和油雾之间还没有一个精确的换热关系式,但根据热平衡关系,在稳态时流入的热量等于流出的热量,结合傅立叶公式和牛顿公式即可算出内腔的换热系数式中: h 为活塞裙内腔与油雾的换热系数,Wm- 1K- 1 ;p 为活塞裙部材料的导热系数,Wm- 1 K- 1 ;p 为活塞顶中央和正下方的活塞裙内腔壁厚,m; tw1 为活塞顶的温度, K; tw2 为活塞裙内腔的温度,K; toi1为活塞裙内腔油雾温度,K.本文当中，在参考了众多论文和相关文献后，依据活塞的型号和使用场所，对做了一些假设，如假设活塞模型为对称的，所以只画出了二分之一的模型，且对其中一些细小的倒角有所忽略。然后对其设定了对应的边界条件。所设边界条件如下： 摄氏度 边界条件（K） 换热系数（）顶部 325 600 500气环区 245 520 2100油环区 225 500 2000底部 120 39