基于ANSYS的发动机活塞三维温度场计算（终稿）精选.doc

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。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