苏ICP备112451047180号-6
柴油机活塞在稳定温度场下的热温度场和热应力分析
图1活塞的有限元模型
5.结论
在本研究中获得了仅由不均匀的温度分布引起的热应力场。与瞬态状态温度场相比，根据模拟结果，温度波动较小，因此可使用稳态温度场分析热应力。 在热应力分析中，通过固定活塞销来实现活塞的整体约束，这与活塞的实际工作状态一致。 在以前做过的所有工作之后，正确地获得热应力的模拟结果。
本文尝试提出一种热机械解耦方法，用于模拟仅由活塞工作时温度分布不均引起的热应力场。 基本结论如下：
（1）活塞顶上的温度分布相对复杂; 最高温度出现在燃烧室底部，而燃烧室边缘的温度也相当高，但不超过材料的允许范围。 活塞环上的温度不高，因为外部散热能力小，导致小的热负荷。 活塞冷却腔的平均传热系数相当大，活塞上的大部分热量从冷却腔传递到冷却油。 冷却腔结构直接影响冷却效率，因此冷却腔的设计在活塞设计中是重要的。 活塞裙的总体温度低，热负荷也低。
在瞬态温度场分析中，温度波动不超过最大稳态温度值的5％，因此稳态温度场被认为是热边界条件。
（2）本文在活塞热应力分析中提出了一种新的约束方法。 活塞的整体约束通过固定活塞销来实现，因为销可以通过它们之间的接触间接约束活塞，这与活塞的实际工作状态一致。
使用热机械解耦法进行活塞热应力计算，燃烧室边缘的温度及其梯度相当高。 接触和连接螺栓的存在限制了刚性热膨胀，这导致高的热应力。 每个点的热应力的值与机械应力的值相似，这意味着在设计过程中不能忽略热应力。 仿真结果与工程实践相吻合，在实际应用中具有重要的参考价值。
摘要
随着柴油机功率和性能的提高，活塞在燃烧室内受到较高的热负荷、热应力，降低了活塞的工作寿命。因此在设计过程中必须分析活塞上的后续热应力使之达到最佳。本文试图为活塞的理论设计提出一种新的计算方法。本文研究了16V280柴油机活塞的三维实体模型，并对其稳定状态和过渡状态温度场进行了模拟计算。基于计算结果，活塞温度场的最大温度波动小于20，所以使用稳态温度场作为热应力计算的边界条件，并且使用热机械去耦方法计算仅由热应力引起的温度分布不均匀。结果表明，最高温度354℃出现在燃烧室的边缘。用有限元模拟的稳态温度场得出的结果与实验结果基本一致。因为热应力的最大值为270 MPa，所以从热机械解耦方法得到的热应力在允许范围内。危险区出现在燃烧室喉部、活塞头部和裙部的接触区域。
关键词：柴油机；活塞；温度场；热应力；稳态分析
创新点：
一种通过FEA分析活塞上的热应力场的新方法。
仿真结果与实验结果验证。
本研究考虑了瞬态温度波动。
机械应力边界条件符合实际工作情况。
热应力的值约为热机械耦合应力的50％。
目录
摘要 1
1.引言 2
2.活塞三维有限元模型 3
3.稳态温度场的数值分析 4
3.1热数值分析的边界条件 4
3.1.1活塞顶半径等效传热系数 5
3.1.2活塞冷却腔的传热系数 6
3.1.4活塞环和裙部的传热系数 8
3.1.5活塞裙内表面的传热系数 11
3.1.6最终传热系数的确定 11
3.2活塞的稳态温度场 13
4. 活塞的瞬态温度场 15
4.1瞬态分析的边界条件 15
4.2 瞬态温度场的结果分析 16
5. 活塞的热应力分析 18
5.1热应力分析方法 18
5.2 边界条件 20
5.2.1机械条件 20
5.2.2 热机械耦合条件 21
5.3 活塞热应力结果分析 21
5.3.1 机械应力场 21
5.3.2 热机械耦合应力场 22
5.3.3 热应力场 23
6. 结论 24
1.引言
作为发动机的主加热部件，活塞长时间工作在高温和高负载环境下（最大气体压力几乎达到13MPa）。活塞受热面积大，散热差，所以热负载是活塞设计最需要考虑的问题[1]。在实际工作中，有许多失效模式是由于热应力引起的。活塞的结构设计对活塞的排放性、经济性和寿命有很重要的影响。在高温下条件下，活塞受到周期性热负荷可导致表面开裂，腐蚀，磨损甚至在异常温度或燃烧条件下可发生结构损坏[2]。由于可以得出结论，所以对活塞的热应力分析非常有必要。因此，本文提出了一种数值方法使用热机械去耦FEM（有限元法）以计算由温度不均匀引起的热应力分配。在活塞的热分析中，Buyukkaya [3]通过使用商业代码模拟了材料具有功能梯度涂层性能的铝硅和钢活塞。罗宾逊和Palaninathan [4]使用3-D有限元法分析了活塞铸造的温度场。在研究中，有限元公式通过气隙的热传递解决3-D问题。冠南[5]将PA6柴油机分为几个部分以获得更准确的边界条件。Gang [6]改进了PA6柴油机活塞的边界条件。这个领域的相关研究已经成熟。
自此瞬态分析已经取得了很大的进展。在热冲击试验的基础，来自浙江大学的甄新[7]研究了在温度响应和热应力影响下活塞在高低频矩形热冲击下的模型。郑伟等人 [8]基于铝合金活塞的弹塑性有限元计算研制开发了一种在高温蠕变条件下预测估计铝合金活塞寿命的方法。
有很多研究人员在有限元领域对活塞的热应力进行研究。Feng et al[9]首先估计活塞温度场并进行柴油机多体动力学分析，然后计算活塞的耦合应力。Dong et al [10]模拟活塞的稳定温度场，并计算活塞底面应力场的热量。 Cerit[11-13]研究了涂层厚度对温度和热应力分布的影响，以及模拟在HCCI发动机中使用涂覆有CCD的活塞研究其温度分布并得出实验结果。Lu et al [14]采用逆传热方法对船用柴油4环铰接发动机活塞进行热传导的数值分析。Esfahanian et al[15]使用三种不同燃烧边界条件来计算到发动机活塞顶部的传递热量。比较不同燃烧边界条件的结果并研究活塞热行为的影响。由于边界条件不合理的事实，最近研究计算热应力分布的工作不太正确。因为不合理的约束和动态边界条件研究不能得到只由温度分布不均匀引起的热应力。
由此看来，首先要开发活塞的有限元模型。基于活塞温度的测量值，确定传热系数和环境温度（它随着活塞的面积而变化，例如，对于活塞顶部的温度指的是燃烧室的温度，但对于活塞裙来说指的是曲轴箱的温度）并且计算稳态温度场。为了进一步的研究，计算和评估瞬态温度场边界条件如气体压力，预紧力和热应力计算的活塞约束也需要在FEM中定义。在这项研究中，总体约束的活塞是通过固定活塞销来实现的，与以前的研究相比这是比较合理的。关于边界条件的细节将在后面提及。
2.活塞三维有限元模型
有限元模型建立在有限元分析软件中。使用SOLID70进行开发网格如图1所示。表1列出了用于温度领域计算所需的活塞材料的性能参数。活塞顶需要更细的网格划分，因为顶面温度较高，波动较大，所以活塞顶部元件尺寸为5mm，而裙部元件尺寸是8mm。一共开发了116,571个元素包含26,630个元素节点。设置宽高比的上限值至5，根据ANSYS中的形状检查，总元件的0.13％超过该限制。这些单位位于活塞裙部的角落，因为活塞裙部对热转移的影响很小，有限元模型可以被接受。
有限元模型建立在有限元分析软件中。使用SOLID70进行开发网格如图1所示。表1列出了用于温度领域计算所需的活塞材料的性能参数。活塞顶需要更细的网格划分，因为顶面温度较高，波动较大，所以活塞顶部元件尺寸为5mm，而裙部元件尺寸是8mm。一共开发了116,571个元素包含26,630个元素节点。设置宽高比的上限值至5，根据ANSYS中的形状检查，总元件的0.13％超过该限制。这些单位位于活塞裙部的角落，因为活塞裙部对热转移的影响很小，有限元模型可以被接受。
图1活塞的有限元模型
5.结论
在本研究中获得了仅由不均匀的温度分布引起的热应力场。与瞬态状态温度场相比，根据模拟结果，温度波动较小，因此可使用稳态温度场分析热应力。 在热应力分析中，通过固定活塞销来实现活塞的整体约束，这与活塞的实际工作状态一致。 在以前做过的所有工作之后，正确地获得热应力的模拟结果。
本文尝试提出一种热机械解耦方法，用于模拟仅由活塞工作时温度分布不均引起的热应力场。 基本结论如下：
（1）活塞顶上的温度分布相对复杂; 最高温度出现在燃烧室底部，而燃烧室边缘的温度也相当高，但不超过材料的允许范围。 活塞环上的温度不高，因为外部散热能力小，导致小的热负荷。 活塞冷却腔的平均传热系数相当大，活塞上的大部分热量从冷却腔传递到冷却油。 冷却腔结构直接影响冷却效率，因此冷却腔的设计在活塞设计中是重要的。 活塞裙的总体温度低，热负荷也低。
在瞬态温度场分析中，温度波动不超过最大稳态温度值的5％，因此稳态温度场被认为是热边界条件。
（2）本文在活塞热应力分析中提出了一种新的约束方法。 活塞的整体约束通过固定活塞销来实现，因为销可以通过它们之间的接触间接约束活塞，这与活塞的实际工作状态一致。
使用热机械解耦法进行活塞热应力计算，燃烧室边缘的温度及其梯度相当高。 接触和连接螺栓的存在限制了刚性热膨胀，这导致高的热应力。 每个点的热应力的值与机械应力的值相似，这意味着在设计过程中不能忽略热应力。 仿真结果与工程实践相吻合，在实际应用中具有重要的参考价值。