柴油机组合活塞温度场及热机耦合应力分析.pdf

《柴油机组合活塞温度场及热机耦合应力分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、．卢鹏张翼郑伟茂郭元元：柴油机组合活塞温度场及热机耦合应力分析≈设计研究#dr—ar—)r—ar—ar—af一柴油机组合活塞温度场及热机耦合应力分析、TheA衄lysisofTempenureFieldandMInti—FieldCoupUngStre豁foraDieselEngi玳CombinedPiston卢鹏张翼郑伟茂郭元元(中北大学)[摘要]以某型号柴油机的钢顶铝裙组合式活塞为研究对象，通过建立活塞的有限元模型。分析了活塞在预紧工况、热载荷工况和热机耦合工况下的应力场和位移场分布特点．给出了活塞在热载荷下温度场分布规律和在热机耦合作用下的活塞失效的主要位置。该分析可

2、为类似发动机活塞的设计和结构优化提供理论依据和实践指导。[关键词]组合活塞有限元耦合分析应力Keywords：CombinedpistonFiniteelementCoupling一6eld日malysisSn．ess引言随着柴油机的不断强化。单位排量的功率和最大爆发压力的不断增加．活塞承受的热负荷和机械负荷也随之不断提高。越来越高的热、机械载荷导致活塞的工作条件愈加严酷、活塞销座开裂、活塞环槽早期磨损、活塞顶面环岸开裂以及燃烧室喉口边缘热裂等失效更加显著。因此在对活塞结构的设计不仅要考虑到热载荷的作用，更要考虑到热载荷和机械载荷的综合影响【l】。钢顶铝裙组合活塞可以有效解

3、决铝合金整体活塞强度较低而无法承受过大的热机载荷的问题．在低速、高负荷柴油机中广泛使用。本文利用Pro／E建立活塞组件的三维实体模型．在有限元前处理软件ANSA中进行装配和网格划分．导入ANSYS中对活塞在预紧工况。热负荷和热机耦合工况进行强度分析，找到活塞在结构上的薄弱环节。为活塞的优化设计提供了理论依据。1活塞的有限元模型的建立本文的计算模型是钢顶铝裙组合式活塞。钢顶和铝裙用螺栓和螺母连接，考虑到活塞结构、载荷和边界条件的对称性，可以取活塞的1／2模型来进行分析12】。由于模型比较复杂，将活塞组件中的活塞顶部、裙部以及连杆用4节点四面体单元进行离散化处理较为方便，对连接

4、螺栓、螺母、活塞销、销孔衬套和连杆衬套用6节点五面体单元和8节点六面体单元进行离散化处理。在组件接触部位进行网格局部加密．活塞组件其他非接触面进行自适应网格生成。活塞有限元模型包含165815个四面体单元，3824个楔形五面体单元和6400个六面体单元．总节点数为49235．得圈1活塞有限元模型到的活塞组件有限元模型如图l所示。以活塞中心线为y轴，x轴和z轴分别垂直和平行于活塞销。2活塞温度场的计算2．1活塞的热边界条件的确定合理地给出热边界条件是对活塞进行温度场计算的关键．确定活塞的换热条件主要是确定活塞的各部位边界与高温燃气、冷却水套、冷却油、曲轴箱油雾和空气之间的换热

5、系数以及相应介质的温度，在确定这些边界条件时，应考虑多种因素并通过经验公式计算换热系数。并对比计算结果和实测结果来不断修正边界条件，使计算结果更好地符合实测结果，以确保计算的准确性和精度I卅。在柴油机某工况下活塞不同区域与相应介质之间的换热系数以及介质的温度如表l所示，组合活塞组件的材料物理特性参数如表2所示。2内燃机与配件2013年第3期表1某工况下活塞的热边界条件——＼热边界换热系数}WW，m2·℃。)介质温度T，℃活塞部位——＼活塞顶部868．36778燃烧室719．27788火力岸700．12180第一、二环槽4(y7．46／268．73160，145第一环岸572

6、．19160内冷油腔3981．60150活塞内腔450．33100活塞裙部572．37150表2活塞组材料的物理特性参数(20℃～300℃)弹性模密度导热系散线膨胀部件名称材料泊松比(W，m·℃)系数量(GPa)(1魄咖’活塞钢顶42CrMo2100．287．854012．1活塞裙部ZLl0972O_32．8236240活塞销3lCrMoV9206O．37．8512548连接螺栓40CrNiMOA2lOO．37．8213340．6l螺母42CrMo2lOO．287．8513341．87销孔衬套CuAllONi118O．37．616242连杆衬套QSn一7—0．21280．3

7、38．4816739连杆34CrNiMo206O．37．9110482．2活塞温度场计算热载荷所产生的热变形与应力是导致活塞破坏的主要因素，正确分析活塞的非轴对称热变形，可以为合理设计与加工活塞外轮廓提供依据．并改善受热工况下活塞与汽缸壁之间的配合状况。而要正确分析热变形与应力。首先要正确计算活塞中的温度场阎。活塞的温度场计算结果如图2所示。缡善禽田2活曩叠厦场分布I田可以看出整个活塞温度场分布很不均匀．其最高温度喉口边缘，为404℃，随着半径的增大，温度逐渐降低。且最高温度在燃烧室喉口边缘这是半分开式燃烧室的特点