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1、发动机活塞热分析0摘 要 零部件的热负荷是发动机进一步强化受到限制的主要因素之一，直接影响到发动机的耐久性、可靠性和经济性，因此在设计发动机时，计算零件的热负荷，考虑影响热负荷的因素，是一个十分重要的问题。通过准确的对发动机活塞的热负荷分析可以改善活塞的换热条件，避免因热负荷造成的破坏提供基本的分析依据。因此,对活塞进行理论研究和有限元分析具有重要意义和实用价值。关键词：活塞、热负荷、有限元分析发动机活塞热分析1ABSTRACParts of the engine heat load further strengthen one of the main factors is restricte
2、d, directly affects engine durability, reliability and economy, and therefore in the design of the engine, the heat load calculation parts, considering factors affecting the thermal load, is a very important issue. Heat load through accurate analysis engine piston can improve heat transfer condition
3、s, to avoid damage caused by the heat load to provide basic analytical basis. Therefore, the piston and finite element analysis theory significance and practical value.Key words: piston, analysis theory发动机活塞热分析2目 录1 绪论-11.1 研究背景及意义-1 1.2 国内外研究现状-1 1.3 本文研究内容-12 发动机活塞失效分析与实验调研-22.1 发动机活塞失效分析-2 2.2 发动
4、机活塞热分析实验调研-2 2.3 内容总结-23 活塞的测绘与三维模型的建立-43.1 活塞几何尺寸测量与二维图绘制- 2 3.2 活塞三维模型的建立-2 3.3 内容总结-24 发动机活塞热分析-44.1 温度场分析的有限元理论基础-2 4.2 活塞有限元模型的建立与边界条件的确定-2 4.3 活塞温度场有限元分析-2 4.4 内容总结-25 结论-4参考文献-5致谢-6发动机活塞热分析 01 1 绪论绪论活塞是发动机中处在非常不利的条件下工作的一个重要零件。活塞受高温燃气的周期性加热作用，做为发动机最主要的受热零件之一，长期工作在恶劣的环境下，承受很高的热负荷。一般情况下，发动机活塞的工作
5、温度在 300以上，因此对活塞进行必要的热分析就显得很有意义。1.1 研究背景及意义随着科技的飞速发展，各种新技术、新成果在发动机设计中的应用，以及客户要求的提高、政府严格的排放法规、石油资源的危机等因素的限制，发动机必然要向着高转速、高功率和低油耗、低排放的方向不断发展。零件的热负荷是发动机进一步强化受到限制的主要因素之一。因此，在设计发动机时，考虑影响热负荷的因素以及如何定量计算和采取减小热负荷的措施，是一个十分重要的问题。随着发动机功率的提高，必然会使发动机缸内燃气温度的升高，将导致组成发动机燃烧室受热零件热负荷的增加，并且使受热零部件的材料强度和硬度急剧下降，严重的将产生烧蚀或熔化现象
6、，这极大的影响了发动机运行的可靠性和寿命。活塞被称为发动机的心脏，它是发动机中最重要的零部件之一，其功用是承受气体压力，并通过活塞销把燃气爆发压力传给连杆驱使曲轴旋转做功。活塞热负荷和机械负荷问题的解决是提高整个发动机机械部件技术水平的关键。活塞的工作环境十分严酷，活塞顶面要承受瞬变高温燃气的作用，这使得活塞顶部乃至整个活塞的温度都很高，而且分布很不均匀，各部位温度梯度大，造成活塞很大的热应力，严重时还会导致活塞顶面开裂。因此，对活塞进行温度场分析，了解活塞的温度场分布状态，进而对活塞进行改进，降低热负荷，提高其工作可靠性和寿命具有积极意义。目前，有限元法数值模拟技术的快速发展为解决复杂的发动
7、机零部件的分析计算问题提供了有效的途径，特别是有限元软件与 CAD 系统的无缝结合，有效地缩短了发动机产品设计和分析的周期，降低了产品的成本，提高了发动机产品的可靠性和寿命。有限元分析技术在活塞设计开发中的应用非常广泛，它可以为发动机设计人员提供比较详细的活塞温度场的分布，为活塞开发设计人员提供了便利的手段与方法 1。1.2 国内外研究现状经过近 20 年的努力,国内对活塞的热分析理论与应用有了飞速的发展。现代热分析通常采用有限元分析方法，并采用经验公式计算活塞传热系数，确定边界条件，进行有限元分析。而早在 1994 年哈尔滨工程大学的姜任秋先生就利用 Galerkin 法原理，发动机活塞热分
8、析 1建立了轴对称热冲击问题的有限元方程，以 PA6-280 发动机活塞为例进行了数值分析，对其热冲击期间应力变化现律做了分析和讨论，其结果为研究活塞的热冲击及热损伤机理提供了数值今析方面的基础2 。2004 年山东大学田永祥硕士利用 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 ANSYS 对活塞进行温度场分析计算出活塞的三维温度场分布情况（见图 1.1） 。图图 1.11.1活塞温度场等值面分布图（单位：活塞温度场等值面分布图（单位：）得到活塞的最高温度在活塞顶面燃烧室的边缘位置，其火力岸区域是受热最为严重的地方，活塞的轴向温度差大约在 165，而且沿轴向的分布是
9、非线性的。图图 1.21.2稳态活塞顶部温度分布图（单位：稳态活塞顶部温度分布图（单位：）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3。2005 年合肥工业大学机械与汽车工程学院的王虎博士与桂长林教授应用COSMOS/M 参数化有限元程序语言及 Delphi 面向对象高级语言，以 4105 490 型发动机活塞的类型和结构为基础，编制活塞参数化三维有限元计算分析程序(见图 1.3) 。发动机活塞热分析 2图图 1.31.3参数化有限元程序结构流程参数化有限元程序结构流程建立其数据输入输出处理接口，对活塞温度场及其影响因素(见表 1.1)表表 1.11.1参数化有限元分析模型参数表参数化有限元分析模型参数表活塞类型几何参数物性参数网格参数边界参数分析参数410519444344902044454进行了定量分析,计算并分析了发动机活塞环岸高度、冷却水温度对温度场的影响，为整机的动力性、经济性、排放指标与可靠性的综合优化设计提供了依据4。2008 年辽宁省花彩虹先生和贾正宇先生对发动机活塞进行一定的热分析,应用ANSYS 软件,采用三维有限元法计算发动机活塞在热载荷作用下的温度场和换热情况,并在此基础上分析活塞的热变形及热应力场(见图 1.4),发动机活
