基于Ansys的柴油机活塞温度和热应力场仿真研究.pdf

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1、基于Ansys的柴油机活塞温度和热应力场仿真研究韩东胡磊郑卫刚1武汉理工大学能源与动力工程学院武汉4300632武汉理工大学工程训练中心武汉430063摘要：通过Ansys有限元仿真软件对某柴油机进行建模仿真计算，分析在实际边界条件情况下活塞的温度场以及热应力场耦合分布情况，并对计算结果进行分析，得出活塞温度传递和分布规律，为活塞结构设计和选材提供了技术指导。关键词：柴油机；活塞；Ansys；温度场；热应力场；仿真中图分类号：U464．172文献标识码：A文章编号：1001—0785(2015)05—0073一o4Abstrac~：A

2、nsysfiniteelementsimulationsoftwareisusedformodelingsimulationcalculationofcertaindiese1．in0卜dertoanalyzethecouplingdistributionoftemperaturefieldandheatstressfieldofthepistonundertheconditionofactualboundaries，aswellasthecalculationresulttogetthetemperaturetransmission

3、anddistributionlaw，providingtechnicalguidanceforstructuraldesignandmaterialselectionofthepiston．Keywords：dieselengine；piston；Ansys；temperaturefield；thermalstressfield；simulation0引言活塞作为柴油机的重要运动部件之一，能否安全可靠运行十分关键。柴油机在工作过程中，活塞承受高温高压燃气的作用，其温度场及热应力场分布多变且恶劣，从而改变活塞的力学性能与工作状态。国内

4、外诸多学者对活塞进行了仿真研究【=l'，但大部分只是对温度场和热应力场图1柴油机活塞i维模型进行单一分析，且对活塞各部位环境温度等边界条件未做具体考虑。文中利用Ansys有限元分1．2属性的定义和网格的划分析方法对某型号柴油机活塞进行建模，通过对活塞结构相关属性定义流程图如图2所示。温度场及热应力场的耦合仿真分析，得出活塞温度和应力分布规律，对活塞优化设计具有指导意义。1活塞有限元模型的建立1．1三维模型的建立根据某型号柴油机活塞尺寸，通过关键点、线、面和旋转成体的逻辑建立活塞模型。通过工图2前处理流程图作坐标的转换，Extrude内

5、部拉伸成体，并利用Booleans逻辑，完成销子L和关键倒角模型，所建立选择热分析选项作为活塞模型分析类型。由柴油机活塞三维模型如图1所示。(Ansys理论参考手册》可知在进行稳态温度场分《起重运输机械》2015(5)一73—析时二十节点六面体单元Solid90单元类型计算精度高。根据实际尺寸，设置的节点长度为5mm，通过网格划分T具Meshtool对活塞模型进行网格划分，通过雅可比、长宽比和网格角度的检查进行优化和修正，以满足有限元计算的收敛。网格一一划分后的模型节点数为86978个、单元数为54846个，如图3所示。(a)整体网格

6、(b)剖面图网格活塞材料为硅铝合金，其性能参数如表1。图3活塞网格模型表1硅铝合金材料参数导热系数A密度P比热熔c弹性模量／[W·(m·K)]／(kg·m)／[J·(kg·K)]泊松比／GPa23627009020．31201．3边界条件的加载气缸套内侧的温度沿轴向变化范围为100℃采用第j三类边界条件_l3j，由于活塞各部位温度～200oC，冷却油温度为100℃～130℃。活塞顶不一样，对其温度场进行仿真需分别考虑各边界条部燃气的瞬时温度与瞬时对流换热系数由Matlab件，热边界条件主要包括活塞顶部、火力岸、其他编程计算得到，其随曲

7、柄转角变化关系如图5和环岸、环槽、裙部、油道、内腔等。活塞顶部与燃图6所示。气对流换热系数采用艾歇伯格经验公式计算=7．8；／c,／PTg(1)式中：C为活塞平均速度，P为燃气瞬时压魁力，为燃气瞬时温度。赠本实验是在标定(标定功率276kW，标定转速2100r／rain)丁况下进行的，瞬时压力P可由基于扭AVL—Boost软件对柴油机进行仿真的示功图(见图4)上威接得出，燃气最高爆发压力在18MPa左右。图5缸内气体温度童耋1．1号缸2．3号缸螽图4缸内燃气燃烧示功图毫；燃气的瞬时温度71可由示功图推出，因而可求得活塞在一个工作循环内

8、燃气顶面的平均换热系数OLgm干¨燃气乎均当量温度1J720OLgd(2)图6缸内燃气瞬时换热系数o／2O火力岸和环区的换热系数参考了文献[4，：活塞外圆表面的一部分活塞环一油膜一缸套-——74————《起重运输机械》2