第四届全国数字化设计与快速制造技术论文集 发动机活塞温度场的数值模拟研究 王雪 马星国 ( 沈阳理工大学．机械工程学院，辽宁沈阳1 1 0 1 6 8 ) 擅要：本文建立了活塞三雏有限元模型，论述了活塞热分析的理论基础，通过理论计算确定某发动机活塞 熟边界条件，利用有限元分析戟件进行矗度场数值计算，得到活塞的三雏盘度场分布情况，为活塞的结构设 计和改进提供了重要依据． 关键词：活塞；有限元分析：温度场 中圈分类号：“ 1 “ 1 4 1 2文猷标识碍：^ T h eT h e r m a l L o a d i n gA n a l y s i so fT h eE n g i n eP i s t o n W A N GX u e ，M A X i n g g u o ( F a c u l t y o f M e c h a m c a lE n g i n e e r i n g , S h e n y a n g L i g o n g U m v e r s , t y , S h e n y a n g l l 0 1 6 8 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h e t h e r m a lb o u n d a r yc o n dJ t t o no f t h e e n g i n ep l s t o n w a sd e t e r m i n e db y t h e t h e o r y , a3 - d t m e s t o n a l f i m t e e l e m e n tm o d e lo f t h ep i t o nw a sb u i l du pT h et h e r m a lf i e l do f t h ep i t o nm o d e li sc a l c u l a t e dw i t ht h ef i m t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r eT h edz s t n b u t m ge o n d m o no ft h e3 - d z m e s i o n a lt h e r m a lf i e l dc a nb ed e t e r m m e d ．w h i c hp r o w d e s s o m e i m p o r t a n ts u p p o r t s f o r t h eS t r o c t t l r e d e s i g na n d o p t t m l z a t l o n o f t h ep i s t o l l ． K e yW o r d s ：P l s t o n ，F t n l t eE l e m e n tA n a l y s i s ，T h e r m a lF i e l d 活塞是内燃机的重要零部件，其结构和所处的工作环境十分复杂．随着内燃机的平均有 效压力和活塞平均速度的不断提高，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最传给活塞，使一苫塞热负荷更加严重，话塞的工作条件更加 恶劣．其工作的可靠性己成为提高发动机可靠性的关键技术之一． 1 有限元模型的建立 1 ．1 模型的建立 本文所分析的活塞燃烧室为u 形，位于活塞顶部的中央．取活塞的1 ／2 作为有限元分 析的几何模型．模型用S O L I D W O R K S 软件建立．然后再导入到有限元分析软件A N S Y S 中．为有 限元分析的顺利进行奠定基础． 1 - 2 有限元模型的建立 为了获得准确的计算结果．应合理确定单元划分方案．这样既保证计算精度．又不会耗 时过多．若局部的结果偏差比较大．则进行局部修正．活塞的网格划分采用六面体单元 s o l i d 7 0 ，共用了1 7 5 6 8 个单元．节点数为5 1 7 0 个，活塞的有限元模型如图1 所示． 第四届全国数字化设计与快速制造技术论文集 图l 有限元模型 1 ．3 材料 活塞材料为球墨铸铁，其密度为p = 7 2 0 0 k g ／m ’，导热系数为五= 3 0 J ／m ·k ，比热 C = 4 8 0 J ／( k g - K ) ． 2 有限元热分析的基本原理 热传导的温度场、流场和电势分布场等现象是一类重要的物理问题，均可称为场问题。
这些场问题的特性在于受控于以有关场变量表示的一类相似的偏微分方程，这样我们可以用 一般场变量驴形式讨论有关控制偏微分方程的解稳态( 与时间无关) 场问题是由下述拟调 和方程来确定的 、 昙( k 割+ 号[ b 考] + 妄( k 老) + c = ㈨ 其中，伊是未知的函数或场变量( 仍设在区域内为单值) ；| i } f = x ，y ，z ) 和c 是，，弘： 的已知函数． 在固体内部的热量传递中．采用热传导方程，其中，场变量伊为温度，以下各式均用T 表示；C 为内热生成速率；々，、t k ：为材料沿x 、Y 、z 三个主轴方向的热传导系数，由 于活塞采用各向同性的铸铁，因此有 t = A ，= 屯，正常工作状态下，活塞处于稳定热流状 态，且内部无热源，因此式( 1 ) 可改写为 窑+ 罂+ I O ：T ：o ( 2 ) 矿十萨+ 可刮 喵7 式( 2 ) 是描述活塞稳定温度场的二阶常微分方程．求解该方程还需定义完整的边界条 件．由于活塞表面分别与高温气体和冷却介质接触，并通过对流换热达到热平衡，因此采用 第三类边界条件理论，其热边界条件可统一写为： 4 罢1 + 口盯一_ ) ；o ( 3 ) 式中L 为周围介质温度，是可测已知值；口为换热系数，它是一个与介质流动类型、 边界换热形状、介质流动状态和介质密度、粘度、导热系数等有关的工程常数，可通过测试 和试算确定。
F 、n 分别表示活塞边界和边界法向． 式( 2 ) 和式( 3 ) 构成活塞稳定温度场的边值问题，求解该问题可以得到整个活塞的空间温 第四届全国数字化设计与快速制造技术论文集 求解结构的温度场可以化为一个求泛函极值的问题．结合式( 2 ) 和式( 3 ) ，构造泛函 删= 昧障) 2 + 岛] 2 + 罡] 2 ] 一巾一《妒矿+ 1 1 1 ．r 2 譬2 p 一甜抒㈤ 由变分原理可知．满足导热微分方程式和边界条件的温度函数r ( 工，Y ，：) 应该是使泛函取 最小值的函数 如果函数7 ' ( x ，y ，z ) 使泛函( 4 ) 取极小值，则7 ’( z ，J ，，z ) 在区域V 内满足导热微分方程式( 2 ) ， 并在边界上满足条件( 3 ) 根据上述变分原理，利用求泛函极小值的方法，来求解结构温度函数r I j ，Y ，z ) 的具体方 法是：先将结构离散化，建立单元的泛函关丁温度的表达式．由各单元的泛函叠加而得到整个 结构的泛函关于温度的表达式再由求泛函极值的方法，得到以结构节点温度为未知数的线 性代数方程组，解之可以求得结构节点的温度值 3 有限元分析的热边界条件 在进行活塞的温度场计算时，准确的给出热交换边界条件是用有限元法计算活塞温度场 的关键．本文在确定热交换边界条件时。
首先由示功图通过数值计算得出的燃气的温度，通 过经验的、半经验的公式计算出活塞项部与燃气的热交换系数，活塞环区，活塞裙部，以及 活塞内腔的当昔换热系数等．利用这些经验的，半经验的公式确定的换热边界条件与实际情 况可能相差较大，因此还必须通过将初步计算的结果与实验所得到活塞上对应点的温度值进 行比较，不断修正边界条件，以使最终计算结果与实测结果较为符合，从而提高计算结果的 精确性．使其能够较盘『的反映活塞的温度分布，同时也为进一步的热分析提供较为精确的条 件． 4 活塞温度场分布 在有限元分析软件A N S Y S 中对活塞进行稳态热分析，求出其温度场分布．如图2 为活塞 轴向温度分布曲线，图3 为活塞侧面温度分布图，图4 为活塞温度场等值面分布图，图5 为 活塞顶温度分布图．从图中看出：活塞温度最高点在燃烧室的中心位置，为3 5 1 ．f i 6 4 “ C ；在 外侧面，沿轴向从上到下，温度由高到低；第一环槽处温度约为2 5 0 ．_ C ． 4 5 第四届全国数字化设计与快速制造技术论文集 图4 活塞温度场等值面分布图( 单位；℃) 图5 括塞顶温度分布图( 单位，℃) 为了使活塞顶部安全可靠的工作，用铸铁或钢做活塞顶部的材料时，顶面温度不允许超 过4 5 0 ’5 0 0 “ C ．本文计算的活塞材料为铸铁，其活塞顶最高温度为3 4 0 ．1 4 3 “ C ，在可用范围之 内． 环槽区的高温不仅使材料强度降低，耐磨性下降，还使环槽区内的机油变质胶结，使活 塞环胶结而失去工作能力，产生漏气。
机油上窜，活塞环折断以及环岸烧损等问题．本计算 中箔一环槽温度较高．但是温度的升高对铸铁材料的抗拉强度盯．的影响不大． 5 结论 ( 1 ) 本文建立了该型活塞的三维热分析模型升借助于有限元分析软件A N S Y S 计算分析了 活塞的热负荷，得到了与测量结果相吻合的三维温度场和符合实际工作状况的传热边界条 件．为进一步进行柴油机活塞的结构改进和优化设计提供了有效的依据． ( 2 ) 活塞特别是第一环槽区的工作温度较高．这是导致活塞长时间运转后出现活塞环 胶结和活塞产生裂纹的主要原因．因此．如何降低环槽区的温度，特别是第一环槽的温度， 成为内燃机活塞设计的一个关键问题．必须采取措施来加强和改善活塞的冷却状况以达到降 低活塞热负荷的目的． ( 3 ) 活塞环岸在活塞环的冲击下容易疲劳破坏．所以燃气压力升高，高温下强度下降 以及环槽根部应力集中都使这种损坏增加，因此提高环岸强度极其重要． ( 4 ) 迄今为止，如何精确确定活塞传热边界条件仍然是一个值得研究的课题．确定边 界条件的误差在计算本身的误差可以省略的情况下，可由计算结果和实测值的比较来评价．因 此从某种意义上可以认为计算活塞温度场的同时，提供了一种探求活塞传热边界条件的方法， 得到的最终传热边界条件对相似类型的活塞设计和优化也具有指导意义． 参考文献： [ 1 ] 郭乙木等．线性与非线性有限元及其应用[ 劬．北京：机械工业出版社，2 0 0 4 ． [ 2 ] 博嘉科技．有限元分析软件—一^ N ：“S 融会与贯通[ M ] ．北京：中国水利水电出版社，2 0 0 2 [ 3 ] ‘汽车工程手册，编辑委员会．汽车工程手册[ 岫．北京：人民交通出版社．2 0 0 1 ． 【4 ] 田永祥．等．发动机活塞温度场三维有限元分析[ J ] ．内燃机工程。
2 0 0 4 ，1 ：6 2 - 6 5 ． [ 5 ] 姚仲鹏．王瑞君．传热学[ 刚．北京：北京理工大学出版社．2 0 0 3 ． 作者简介： 王雪．女，1 9 8 0 年，硕士研究生，主要研究方向为某发动机晒寒的三维有限元温度场、热变形及热应 力分析 E - M a l l ：w a n g x u e 0 4 1 6 @ 1 2 6 ．C O l l ] 。