基于有限元法的多工况下柴油机活塞温度场分析.pdf

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1、10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.054基于有限元法的多工况下柴油机活塞温度场分析施超，马成，李光明，汪江（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）摘要：通过UG软件建立了活塞的几何模型。在重点讨论了活塞热边界条件的计算后，借助有限元分析软件ANSYS，对某柴油机活塞温度场建立其有限元模型。利用该模型分析了多工况下活塞温度的变化情况。关键词：柴油机；活塞；有限元法；热边界条件；多工况中图分类号：U467文献标识码：A文章编号：1671-7988(2017)15-148-03Toanalyzethetemperaturefie

2、ldofpistoninenginewithdifferentworkingconditionsShiChao,MaCheng,LiGuangming,WangJiang(AnhuiJianghuaiAutomobilegroupCo.Ltd.,AnhuiHefei230601)Abstract:SetupageometrymodelofthepistonwithUG.Withdiscussingthermalboundaryconditionsofpiston,thetemperaturefieldofthepistonmodeliscalculatedbyANSYS

3、.Atlast,wecanseethechangesofpistontemperatureindifferentworkingconditions.Keywords:Dieselengine;Piston;Finiteelementmethod;thermalboundarycondition;differentworkingconditionsCLCNO.:U467DocumentCode:AArticleID:1671-7988(2017)15-148-03引言活塞作为内燃机的关键零部件之一，它的工作情况直接关系到高速内燃机的工作可靠性和耐久性。活塞所处的工作环境十

4、分复杂，在工作状态下受到高压燃气压力等综合作用。高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部甚至整个活塞温度较高，且温度分布很不均匀，极易导致活塞产生热应力和热变形。热负荷和机械负荷耦合将导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸等。所以，在设计阶段对活塞进行温度场有限元分析，是了解活塞的热负荷状态和综合应力分布情况的基础。对于改进活塞结构设计，提高工作可靠性具有重要意义。图1有限元分析问题流程图1分析原理如今有限元法(FEM,FiniteElementMethod)在活塞开发2活塞热边界条件的计算设计中的广泛应用，降低活塞开发及验证的成本，缩短设计标定工况所指的是柴油机转速为标定转速3

5、200r/min，负周期。有限元分析问题流程如图1所示。荷为满载条件。通过标定工况下测得的示功图，结合柴油机作者简介：施超，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。的主要技术参数见表1，计算得出燃气的平均换热系数和环149汽车实用技术2017年第15期境温度。对于其它区域的换热系数及温度，可参考类似活塞对应区域的换热系数和环境温度。通过将各区域的换热系数和环境温度加在活塞对应区域上，ANSYS即可运算得出活塞温度场的分布状况。表1图23200r/min工况下的示功图图32400r/min工况下的示功图3不同转速的工况下活塞温度的变化当负荷为100%时取3种不同转速工况，进行

6、活塞温度场的有限元分析计算。这三种不同转速工况是：3200r/min，2400r/min，1600r/min。由实测的示功图（图2、图3、图4）可计算出各自工况下的燃气的平均温度和平均换热系数。通过将算得的不同结图41600r/min工况下的示功图果用于替换活塞顶面和燃烧室各个部位的换热系数和环境温表4顶面及燃烧室的热边界条件度，而对其他区域的边界条件则采用相同的数值。主要是因为活塞的温度主要是取决于燃气的温度和换热系数，而燃气直接作用于活塞顶面和燃烧室，所以这两个部位的换热系数和温度在不同工况下差距很大。表2顶面及燃烧室的热边界条件综合转速为3200r/min、240

7、0r/min、1600r/min三种工况下，ANSYS计算得出活塞的温度场云图。如下图5所示。表3顶面及燃烧室的热边界条件（a）3200r/min转速（b）2400r/min转速（c）1600r/min转速图5不同转速下活塞温度场的分布发动机转速的不同对活塞温度场的分布大致没有影响。但转速为3200r/min的工况时的燃气的换热系数为对活塞的最高温度与最低温度或平均温度影响较大，如表5。361W/m²·K，平均温度是1361K。其顶面及燃烧室的热边表5不同转速下活塞温度的最值界条件见表2。转速为2400r/min的工况时的燃气的换热系数为