某型柴油机活塞三维有限元耦合分析*

(1.海军驻芜湖地区军事代表室 芜湖 241000)(2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

某型柴油机活塞三维有限元耦合分析*

查长松1刘琦2

(1.海军驻芜湖地区军事代表室 芜湖 241000)(2.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

论文采用有限元软件ANSYS,分析了某型柴油机活塞的温度场和活塞热应力,并通过热-机械顺序耦合的方法,分析其综合应力场。研究结果表明:活塞温度最高点位于燃烧室中心,最高温度低于材料的危险温度；活塞在热应力作用下的最大变形量未超过活塞与缸套的最大配合间隙,但第三道环槽的不圆度达到0.08mm,对活塞的润滑和密封有一定影响；热-机械耦合作用下,活塞应力最大值位于销座与销孔接触面上以及销孔上方销座内侧,可考虑在活塞颈部与活塞销座之间设置加强肋以提高销座的实际承载能力。

活塞;温度场;热应力;耦合应力

ClassNumberTH16

1 引言

活塞是柴油机重要的运动件之一,也是燃烧室的重要组成部分,由于受到高温高压燃气的作用,并有时冷却和润滑不良,使其成为柴油机常见故障较多的零件之一[1]。同时,随着柴油机负荷和强度的不断提高,缸内最高燃烧温度,最大爆发压力等也随之提高,因此,提高活塞的强度和可靠性成为重要的任务之一。

本文应用三维造型软件PRO/E建立了某型柴油机活塞的三维实体模型,并利用网格划分软件HYPERMESH对其进行了分区处理,并进行了三维网格划分,采用有限元软件ANSYS计算了活塞的温度场和热应力场,并计算了活塞在热负荷和机械负荷下的综合应力状态,并对结果进行了分析,为活塞结构的改进和强化提供理论依据。本文的具体计算流程如图1所示。

图1 活塞热-机械耦合应力分析流程

2 研究对象

2.1 活塞实体模型

本文采用三维造型软件PRO/E建立了活塞三维实体模型。由于此活塞结构的非对称性,不能采用1/2或1/4模型进行计算,所以本文采用整个活塞模型进行分析[2]。同时,为了分析结果的准确,本文对三维模型不做任何形式的简化。所建立的三维实体模型如图2所示,活塞材料性能参数如表1所示。

表1 活塞材料属性

图2 活塞的三维实体模型

2.2 活塞网格模型

本文采用网格划分软件HYPERMESH,对此柴油机活塞进行了网格拓扑的生成,并进行了三维网格的划分。为了在温度场和热-机械耦合应力计算时边界条件加载的方便,在此网格划分软件中对活塞的网格模型进行了分区处理。由于活塞结构比较复杂,因此采用四面体非结构网格对活塞进行网格划分,网格尺寸大小为0.3,最终划分的有限元模型的节点数为29509,单元数为195137。具体网格模型和分区处理结果见图3和图4。

图3 活塞有限元模型

图4 活塞有限元模型分区处理

3 活塞热应力分析

3.1 温度场计算的理论基础

由于本文采用顺序耦合方法研究活塞热-机械耦合应力,所以必须先计算出活塞的温度场分布。在三维传热问题中,在无内部热源的情况下,稳态温度场t(x,y,z)在直角坐标系中应满足微分方程(1)。

(1)

式中,t为温度场中某点的温度值,x,y,z分别为该点在三维笛卡儿坐标系中的坐标值。方程(1)必须在相应的边界条件下才能求解[3]。本文在进行边界面的传热计算时,采用第三类边界条件,如式(2)。

(2)

式中,tf为外界流体温度,tw为固体的壁面温度,λs为固体的热导率,h为边界面的对流换热系数。

在进行活塞温度场计算时,准确地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。柴油机在稳定工况下运行时,虽然在每个工作循环内作用于活塞顶面燃气温度变化很大,但由于变化时间很短,在热惯性的作用下,只在活塞顶表面一层很薄的表面上温度是波动的,而在活塞其它部分的温度基本上是稳定的,所以本文将活塞的温度场当作稳态温度场进行分析[4]。

3.1.1 燃气对活塞顶部的换热系数和燃气平均温度的确定

为了得到活塞顶部的平均燃气换热系数和平均燃气温度,本文采用AVL BOOST软件建立柴油机工作过程一维模型,得到一个循环内对流换热系数和燃气温度随曲轴转角的变化规律如图5和图6,并采用式(3)计算平均燃气温度和平均对流换热系数[5]。

(3)

其中,f(θ)为一个循环中缸内温度或对流换热系数的瞬时值,fm为各自的循环平均值。

图5 对流换热系数随曲轴转角的变化规律

图6 燃气温度随曲轴转角的变化规律

为了更精确地计算活塞温度场,本文对活塞顶面进行分区处理,并根据式(4)分区加载燃气温度和平均对流换热系数[6]。

(4)

其中A为火力面总面积,ri为各个分区对流换热系数与平均对流换热系数的比值,Ai为各分区的面积。本文活塞顶的总面积17995mm2,将活塞顶面积分为两个区,其中活塞顶凹面面积为8184mm2,活塞顶平面面积为9811mm2。

本文在计算时采用等效燃气温度tgm作为相应的燃气温度[7],如式(5)。由此计算出的综合燃气温度为1116.4K。

(5)

3.1.2 其他表面的边界条件

根据经验,并参考同类机型,其他表面所采用的边界条件如表2所示。

表2 活塞三维温度场计算的边界条件

3.2 温度场分析

由于在网格划分时进行了分区处理,所以边界条件很容易分区加载,本文在进行温度场计算时采用八节点四面体单元SOLID70。按照表2的边界条件进行加载,温度场计算结果如图7～图10所示。从图7可以看出,活塞表面的温度在活塞顶面和火力岸处较高,约为500K～557K；凹坑型燃烧室侧壁与活塞顶面交接处温度也较高,最高温度为538K；燃烧室内部温度分布为:燃烧室中心顶部的温度最高,沿径向逐渐降低,最高温度为557K,活塞顶面的表面温度约为540K左右,低于燃烧室中心温度。从图8和图9可以看出,在火力岸下部以及第一环槽处温度仍然较高,为500K左右,活塞环槽处的表面温度在第一道环处下降明显,从第一道环槽向下依次递减,如图11,且相邻两道环槽之间降幅约为18K。从图10活塞内腔表面的温度场计算结果可以看出,活塞内腔处的表面温度自上而下成梯度递减,在内腔顶部温度较高,为500K左右,在内腔下部温度最低,为420K左右。此外,由于活塞结构的非对称性,活塞群部温度梯度沿销座轴向和垂直于轴向的凹凸性有所不同,如图8和图9。整个活塞温度场的最高温度值为557K,并未达到活塞材料的危险温度:640K～670K。

图7 活塞温度场:顶面

图8 活塞温度场:平行销轴的侧面

图9 活塞温度场:垂直销轴的侧面

图10 活塞温度场:内腔表面

图11 沿活塞侧面的温度分布

3.3 热应力和热变形分析

在销座表面上施加全约束以确保模型不发生缸体移动[8],将温度场分析的结果文件读入模型,得到活塞的热应力分布和活塞的热变形如图12和图13。可以看出,燃烧室周围应力值普遍较高,最大值为92.4MPa,见燃烧室顶局部应力图15。燃烧室喉口处的应力值也普遍较高,这是因为冷却油腔的存在,使活塞从燃烧室吸收的大量热量在很短的路径上很快传给冷却油腔,因此热梯度和热应力较大。因为活塞吸收的大部分热量由冷却油腔传出,因此活塞环岸和几道活塞环槽处的热应力值都不高,最大热应力值为41MPa。从图16的环槽局部放大图可以看出,由于冷却油腔的阻隔,热量绕过冷却油枪更多地传向了第二环槽,使得第一环槽处的热应力值低于第二、三道环槽。在活塞销侧断面上,由于活塞销座刚性较大,加之轴向的约束作用,导致销孔侧断面上热应力较大,如图14所示。

图12 活塞热应力

图13 活塞热变形

图14 销座局部热应力

图15 燃烧室顶局部热应力

图16 环槽局部热应力

从图13的活塞热变形云图可以看出,活塞最大变形量是在没有约束的活塞顶部,最大变形量为0.406mm,此值未超过活塞头部与缸套的最大配合间隙:0.5mm。活塞顶部在圆周方向为自由膨胀,变形量相差很小,且变形量大都低于0.3mm,如图17所示,其中绿色线条为变形前活塞轮廓。活塞热变形所造成的不圆度自活塞顶向下逐渐增大,从第三道环槽起,平行于销轴的活塞侧面的热变形逐渐大于垂直于销轴的活塞侧面的热变形,第三道环槽的不圆度达到0.08mm,这对活塞的润滑和密封有一定影响,如图18所示。

图17 活塞顶热变形

图18 第三道环槽热变形的不圆度

4 活塞热-机械耦合应力分析

分析活塞的工作过程可知,当燃气的压力达到最大的时候,活塞在稳定转速条件下受力和变形也是最严重的时刻[9],活塞的强度问题在此时就显得最为突出,所以本文选择活塞在额定功率下,最高爆发压力时作为分析工况。本文所研究的柴油机额定工况下最大爆发压力PZ为14.2MPa,作用于活塞顶面和火力岸。考虑到第一道活塞环的漏气,第一环槽内侧施加0.75PZ,第一环槽与第二环槽之间的环岸及第二道环槽内表面施加压力为0.25PZ[8]。活塞所受的侧压力根据实际情况对结构破坏并不起明显的作用,计算时可近似为零[10]。为了使活塞不产生刚体位移,还必须给出合适的位移约束,活塞的力边界条件主要考虑工作过程中活塞销对销孔的作用力,以此作为机械载荷分析的约束条件。

加载机械载荷和约束后,将热分析的结果文件读入,得到活塞在热-机械耦合作用下的应力场和变形场如图19和图20。从图19可以看出,活塞在热负荷和机械负荷的综合作用下,最大耦合应力为127.75MPa,出现在活塞销座与销孔接触面上以及销孔上方销座内侧,这也是此处容易开裂的原因,在设计时可考虑在活塞颈部与活塞销座之间设置加强肋以提高销座的实际承载能力,另外可对销孔以及销座与活塞颈部接触面进行倒角处理以避免应力集中现象；作用在活塞顶面的热应力比机械应力明显的多,因为作用在燃烧室侧壁水平方向的气体力基本上被作用在火力岸上的气体力抵消；在整个活塞应力云图中,冷却油腔附近的应力值大部分没有超过32MPa,可见,此活塞并没有因为冷却油腔的存在而影响活塞头部的强度；整个活塞综合应力场的最大值为127.75MPa,未超过材料的屈服极限:230MPa。

图19 活塞耦合应力场

从图20活塞在机械应力和热应力耦合作用下的变形图可以看出,活塞头部的变形量小于活塞单独在热负荷下的变形量,主要原因是:在热负荷作用下,活塞顶部自由膨胀,且变形主要沿半径方向向外,而在机械载荷作用下,活塞火力岸处受到和燃烧室侧壁大小相等方向相反的压力,且活塞环槽仍作用部分同火力岸方向相同的压力。这样,作用在活塞顶面的压力是最显著的作用力,它使头部有向下的位移,因此,活塞在机械负荷和热负荷共同作用下,其位移会有一些抵消而变小,最大位移仅为0.1645mm。

图20 活塞在耦合应力作用下的变形图

5 结语

本文建立了某型柴油机活塞有限元模型,分析了其温度场、热应力场,并分析了其在热负荷和机械负荷下的综合应力场和变形情况,得到以下结论:

1)活塞表面的计算温度在活塞顶面和火力岸处较高,整个活塞温度场的最高温度值为557K,并未达到材料的危险温度:640K～670K。

2)活塞并没有因为冷却油腔的存在而影响活塞头部的强度,相反,冷却油腔吸收了从燃烧室传来的大量热量,很好地冷却了第一环槽。

3)活塞最大热变形出现在没有约束的活塞顶部,最大变形量为0.406mm,此值未超过活塞头部与缸套的最大配合间隙:0.5mm,但第三道环槽的不圆度达到0.08mm,这对活塞的润滑和密封有一定影响。

4)活塞在热负荷和机械负荷的共同作用下,最大耦合应力为127.75MPa,出现在活塞销座与销孔接触面上以及销孔上方销座内侧,在设计时可以在活塞颈部与活塞销座之间设置加强肋以提高销座的实际承载能力,另外可对销孔以及销座与活塞颈部接触面进行倒角处理以避免应力集中现象。

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Three-DimensionalFiniteElementCoupledAnalysisofaDieselEnginePiston

ZHA Changsong1LIU Qi2

(1.Navy Representative Office in Wuhu, Wuhu 241000)
(2.School of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

The paper analyzed the temperature field and the thermal stress field of a diesel engine piston with finite element analysis software ANASYS, then used the thermal-mechanism indirect coupled method, researched the coupled stress field of piston.The result indicated that the point of the highest temperature located on the middle of firebox which under the dangerous temperature of the material;under thermal stress effect, the maximum displacement of the piston did not exceed the clearance between piston and cylinder liner, but the non-roundness at the third ring reached 0.08mm, which had some influence on the airproof and lubricate of piston;under thermal-mechanism coupled effect, the point of maximum stress located on the interface of the seat of the pin and the pin hole, so as the top on the pin hole and inner on the seat of pin, so it was recommended to set rib between cervix and the seat of pin of piston to enhance the practical carrying capacity of the seat of the pin.

piston, temperature field, thermal stress, coupled stress

2014年1月9日,

:2014年2月17日

查长松,男,高级工程师,研究方向:热能动力装置结构可靠性设计与分析。刘琦,男,博士研究生,研究方向:动力机械结构优化设计与故障诊断。

TH16DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.07.048