柴油机活塞温度场和应力场计算

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1、中国内燃机学会燃烧节能净化分会2010年学术年会CSICE2010-007柴油机活塞温度场和应力场计算余远菊，李晓波，王贵新哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江，哈尔滨150001摘要：活塞常处出在十分恶劣的条件下工作，经受着复杂的热负荷与机械负荷，使活塞发生变形。本文采用AVLBOOST软件对活塞的工作过程进行了计算，得到了活塞的换热边界条件和最大爆发压力。在此基础上，采用ANSYS有限元软件，对组合式活塞进行了温度场和应力场的有限元分析计算，并得到了活塞的变形。分析计算结果，活塞头部的变形主要是由热负荷引起，而裙部的变形主要受机械应力的影响，

2、同时确定了活塞发生最大变形量的位置。关键词：活塞；温度场；应力场；有限元法活塞作为柴油机的主要受热零件之一，SOLIDE70四面体单元进行自由网格划分，活常在高温、高速、高负荷，润滑不良、冷却塞实体模型和有限元模型如下图：困难等情况下工作，经受着高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力等周期性载荷[1]作用，产生机械应力和机械变形。而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。因此活塞组的设计、将直接影响柴油机性能、使用可靠性及耐久性。对活塞的温度场、应力场以及热负荷和机械负荷共同作用的耦合应力

3、场进行有限元分析，了解活塞的热负荷状态和综合图1组合活塞实体模型应力情况是十分必要的。有限元方法是最有效的数值方法之一，它可以直接分析内燃机零部件的结构问题、热负荷问题和机械负荷问题，提高了设计的可靠性。优化了结构，缩短了设计周期。目前已广泛应用在活塞的结构设计计算领域。本文采用ANSYS有限元软件对某型柴油机钢顶铝裙组合式活塞进行了温度场和应力场计算。图2有限元网格模型1有限元模型的建立2材料的物理特性钢顶铝裙组合式活塞由活塞顶和活塞该柴油机活塞顶部为优质合金钢，密度3裙部两部分组成。因其结构比较复杂，本文为7800Kgm/,导热系数为40WmK/

4、(⋅),弹采用pro/E软件建立了活塞的三维有限元性模量为2.06E11GPa,泊松比为0.3，比模型，为了减少工作量和便于网格的划分，热容为460J/(kgK⋅).裙部为硅铝合金，密3建模时省略了部分油孔，倒角，圆角等，并度为2700Kgm/，导热系数为假定活塞三维模型轴对称，即关于活塞的中138WmK/(⋅)，弹性模量为7.9E10GPa,心线轴对称，这样即可取1/4活塞建立有限泊松比为0.33，比热容为902J/(kgK⋅)。元计算的三维模型。3热边界条件的确定活塞头部和裙部分别利用SOLIDE90和在进行温度场计算时，准确地给出热464交换边

5、界条件是用有限元法计算活塞温度两端自由伸缩。场的关键。以往对边界条件的计算多采用经6结果分析验和半经验公式计算，现在已有较成熟的数6.1活塞的温度场分析值模拟软件对发动机缸内工作过程稳态和计算活塞的热应力，必须事先了解其温瞬态性能进行分析。本文采用AVL-BOOST度分布状态，因此温度场的计算是热应力计软件对缸内过程进行模拟，得到了缸内燃气算的前提。根据前面建立的有限元模型和确温度和换热系数随曲轴转角的变化曲线，如定的边界条件，利用有限元分析计算得到的下图所示：温度场计算结果如下图：图3缸内温度曲线a活塞整体温度场分布云图图4燃气换热系数曲线图活塞在

6、燃烧膨胀阶段最高温度达到b活塞头部温度场分布云图1800K左右，取缸内平均燃气温度为990K，顶部燃气平均放热系数为579W/(㎡.K)。并将活塞顶面按径向分成十个小面。对于火力岸，根据经验值取换热系数为活塞顶部换热系数的1/4~1/5较为合理。而对于冷却水腔，内腔，活塞侧面，活塞环岸等则按照经验或半经验公式取得。4载荷边界条件c活塞裙部温度分布活塞承受的载荷主要有高温燃气压力图5活塞温度分布云图作用，活塞往复运动惯性力，活塞裙部侧推由图可知，活塞顶部温度分布十分复力以及活塞销座孔内与活塞销接触部分的杂，因其长期承受高温燃气的作用。最高温余弦载荷。高

7、温燃气压力Pz主要作用在活度326℃出现在燃烧室喉口附近，最低温度塞顶部，火力岸以及活塞第一、二环槽内。111℃出现在活塞第二环槽处。温度梯度很其余载荷的加载方法参考文献【2】。大，会产生很大的热应力、热变形和热疲劳。5位移约束条件活塞第一环槽最高温度151.99℃，最低温度用有限元法计算静力分析时，必须设置129.39出现在环槽下侧面。其余环槽温度依一定的位移约束条件，才能得到唯一解。通次递减。活塞环区温度在工作要求范围之过阅读大量文献，得到多种位移约束条件。内。本文根据模型实际计算情况，规定其对称剖活塞裙部温度分布在100.745℃到分面上法向位

8、移为零，活塞销座孔内与活塞129.52℃之间，最高温度出现在裙部与头部销接触的部分轴向位移为零，这样活塞可向