发动机活塞温度场三维有限元分析

1、文章编号:1000-0925(2004 01动机活塞温度场三维有限元分析田永祥1, 张锡朝1, 张济勇1, 任洪娟2, 王志明1(1. 山东大学, 济南250061; 2. 山东理工大学Three -Dimensional FEA for the Thermal Field of PistonsTIAN Yong -xiang, ZHANG X -i chao, ZHANG J-i yong, REN Hong -juan, Wang Zh-i ming(1. Shandong U niversity, Jinan 250061, China; 2. Shandon

2、g U niversity of TechnologyAbstract:This paper sets up a geometry piston model of a nature gas eng ine using Pro/E. The thermal fieldof the piston model is calculated w ith ANSYS6. 1. T he results indicate the temperature distribution of the model exactly , w hich provide supports for the further op

3、timizing of pistons.摘要:本研究利用Pro/E 软件建立某天然气发动机活塞的几何模型, 并借助有限元分析软件ANSYS6. 1对其进行温度场分析计算, 得到活塞的三维温度场分布情况, 数值计算结果表明了活塞温度场的分布情况, 为活塞的结构改进和优化提供了依据。关键词:内燃机; 有限元分析; 活塞; 温度场Key Words:I. C. Engine; Finite Element Analysis; Piston; T hermal Field中图分类号:T K402 文献标识码:A1 概述随着发动机强化程度的不断提高, 其零部件的热负荷将随之不断增大。活塞作为发动机的主要

4、受热件, 由于具有受热面积大、散热条件差的特点, 因而其热负荷问题最为严重。它的结构对内燃机的可靠性、寿命、排放和经济性等诸多方面有着至关重要的影响。如能求得活塞的温度场的数值解, 将可为考虑热应力和热变形的活塞优化设计提供依据。有限元数值模拟技术具有试验方法和理论解析方法无可比拟的优势, 已经成为内燃机性能研究的重要手段。本文以热负荷较大的某天然气发动机的铝合金活塞为研究对象, 进行了有限元模拟计算, 得出了活塞在热负荷作用下的温度分布, 为活塞的最优化设计提供了依据。2 有限元模型的建立2. 1 几何模型的建立本文所分析的活塞燃烧室为浅坑形, 位于活塞顶部的中央。因此取活塞的1/4作为有限

5、元分析的几何模型。模型用Pro/E 软件建立, 然后再引入到有限元分析软件中, 使建立的几何模型真实再现活塞的实际结构, 为有限元分析的顺利进行奠定基础。另外, 用Pro/E 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以及结构上的改进。如图1所示 :图1 活塞几何模型收稿日期:2003-06-11作者简介:田永祥(1977- , 男, 硕士生, 主要研究方向为内燃机工作过程, E -mail:yx_tian 。第25卷(2004 第1期内 燃 机 工 程 V ol. 25(2004 N o. 12. 2 有限元模型的建立为了获得准确的计算结果, 应合理确定有限元划分方案, 这

6、样既保证计算精度, 又不会耗时过多。若局部的结果偏差比较大, 则进行局部修正。研究采用的网格划分方案如图2、图3所示。活塞共用了20988个8节点的六面体单元solid70来描述, 节点数为4689 个。图2 网格划分情 况图3 环槽局部网格划分情况总的来说, 单元划分的越小, 计算精度就越高, 相应的计算时间就越长。但根据具体情况可以灵活地改变单元的尺寸。比如, 在形状复杂和温度变化剧烈的地方把单元划分得小一些(如图3中活塞环槽区域 ; 而在其余地方则可以将单元适当划分大一些。这样, 无须增加单元和节点数目即可提高计算精度。2. 3 活塞的材料特性该天然气发动机采用硅铝合金活塞, 其密度为

7、=2700kg/m 3, 导热系数为 =236W/(m K , 比热C =902J/(kg K 。3 有限元分析3. 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 T f 根据实测温度和计算结果估计。则其传热方程为:2x +2y +2z =

8、0- ns= (T -T f |s对应的泛函公式为: J = 22+2+d x d y d z+ s (T 2-T f T d s式中, 为导热系数, W/(m K ; 为对流换热系数, W/(m 2 K ; T f 为介质温度; S 为活塞边界。划分单元的泛函表达为:J c= c 22+2+d x d y d z+ sc (T 2-T f T d s活塞的总的泛函为:J = c 22+2+d x d y d z+ sc (T 2-T f T d s泛函取极值的条件为:i= c J c i =0 (i =1, 2, 3, , N 其中, J c 为单元与整体边界重合部分; N 为节点总数。3.

9、 2 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。,63 2004年第1期 内 燃 机 工 程边界条件是用有限元法计算活塞温度场的关键。确定换热边界条件, 主要是确定活塞各边界与燃气、冷却水、冷却油以及曲轴箱内油雾之间的换热系数和相应的介质温度。由于活塞顶部及环槽以上的部分受到高温高压燃气的作用, 裙部及背面为油冷却, 活塞销孔和活塞销之间又有连续的滑动摩擦产生热量, 因此模型内部的温度分布极为复杂。这样活塞的边界条件及载荷的分布和大小显得特别重要, 任何地方边界条件的偏差都会引起温度场分布的不同。确定这种换热边界条件的困难

10、在于很难找到一个准确的计算活塞和周围介质之间的换热系数的通用公式, 所以在确定边界条件时, 应根据冷却油温度、流速、润滑油温度以及由示功图计算出的燃气温度等, 通过经验、半经验的公式计算活塞顶部或燃气的热交换系数, 活塞环区、活塞裙部外侧, 以及活塞内侧腔的当量热交换系数。这些经验的、半经验的公式确定的传热边界条件与实际情况可能有较大差别, 因此还需通过对比计算结果与活塞上对应点的实测结果, 不断修正边界条件, 使最终计算结果与实测结果符合的更好, 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。图4 缸内气体温度本文是对发动机在标定工况即1500r/min 下

11、进行研究的。气缸套内侧的温度沿轴向变化范围为100 200 , 冷却油温度为100 130 。活塞顶部燃气的温度与燃气的对流换热系数利用AVL 公司的BOOST 软件计算得到, 如图4、图5所示:活塞顶面的燃气温度高达1600 1750 , 燃气的平均温度为700 900 ; 燃气的换热系数平均为400 500W/(m 2 K 。图5 缸内气体对流换热系数表1为稳态条件下活塞的边界条件。表1 稳态边界条件边界对应区域第三类边界条件环境温度对流换热系数W/(m 2 K活塞顶部活塞边缘燃烧室边缘燃烧室底部750400450500火力岸18090其它环岸180250环槽上下面160380底面1602

12、70裙部140300活塞销孔140210内冷油道100470内腔下部100300中部100390上部1004504 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, 即可在有限元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68所示, 活塞顶部与燃气接触的表面最高温度为313. 6 , 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; 活塞销座处最高温度大约为216 , 内腔面最高温度大约为260 。活塞环区的温度对于发动机的可靠性是极为重64 内 燃 机 工 程 2004年第1期 图6 活塞温度场等值面分布图

13、(单位: 图7 活塞环槽区域的局部温度分布图(单位: 要的, 环区温度过高, 将使润滑油变质甚至碳化, 造成活塞环粘结, 失去活动性, 使环槽迅速磨损、变形, 严重时将造成发动机气缸套擦伤, 甚至拉缸。本计算中环槽后由于存在冷却油道而使温度大大降低, 虽然第一环槽的温度还较高, 但已在可用范围之内了。如图8所示:活塞顶部的温度分布是从中心到燃烧室凹坑边缘先降后升, 在燃烧室边缘达到最高值, 然后再逐渐降低, 直到活塞边缘。图8 稳态活塞顶部温度分布图(单位: 5 结论(1 活塞的最高温度在活塞顶面燃烧室的边缘位置, 这要求燃烧室边缘必需有合适的倒圆角, 以防止热应力集中和烧蚀的发生。(2 从总

14、体上考虑, 活塞的火力岸区域是受热最为严重的地方, 所以要充分的考虑活塞的材质, 提高活塞的抗热性, 以防活塞顶部发生热变形。(3 活塞的轴向温度差大约在165 , 而且沿轴向的分布是非线性的, 所以在设计活塞时, 要考虑活塞在受热时产生的轴向的非线性的热变形。(4 活塞环槽上下面及内侧面的温度差为10 30 , 温度梯度相对较大, 加上此处的尖角多, 又是活塞散热的重要途径, 所以应特别考虑此处的结构。特别是第一环槽的温度差达到了27 , 应给予充分的重视, 在结构上可以考虑使用护槽圈。参考文献:1 马哲树, 等. 高强化柴油机钢顶铝裙活塞热负荷的三位数值模拟C. ANS YS 用户年会论文集, 2002.2 杨世铭. 传热