柴油机活塞的热机耦合分析

山西中北大学机械与动力工程学院　　郭亮　张翼

柴油机活塞的热机耦合分析

山西中北大学机械与动力工程学院郭亮张翼

本文以某型柴油机镶圈活塞为研究对象，对活塞在最大爆压下的温度场、机械应力和热机耦合应力进行了计算。分析了活塞温度场对活塞的影响规律，为活塞前期设计和提高活塞的工作寿命提供了一定的理论依据。

柴油机；活塞；热机耦合

前言

随着柴油机的不断强化，对缸内零件的性能、强度和可靠性等也不断提高。活塞在高温、高压的条件下工作，受到热负荷和机械负荷的共同作用，工作条件非常恶劣，导致活塞结构非常容易变形和产生裂纹［1］。

本文首先对某型柴油机活塞的温度场进行模拟，然后进行热应力分析，并计算最大爆压下的机械应力和耦合应力。分析温度场对活塞的影响以及活塞在最大爆压下的薄弱位置，为活塞的设计优化提供一定的理论依据。

1　活塞温度场的确定

1.1活塞的热边界

活塞温度场计算的关键在于合理地给出热边界条件，缸内燃烧的边界条件主要是确定活塞与外界环境之间的换热系数，换热边界的计算一直是一个难以解决的问题。通过对活塞的实验和计算研究，我们总结出了一些经验或半经验公式。可以先运用这些公式得出一个初始的活塞热边界条件，利用ANSYS等软件计算活塞温度场，把一些关键点处的试验数据值和计算值进行比较，再利用传热原理对边界条件进行修正，然后再重新计算，一直到计算值与实测值的误差达到工程研究的许用范围以内［2］。

表1　活塞热边界条件

本文在计算活塞温度场时采用第三类边界条件，与活塞接触换热系数采用相应的经验或半经验公式求得。活塞不同部位的热边界条件如表1所示。活塞采用铝合金材料。镶圈采用高镍奥氏体铸铁。在柴油机工作时，燃气温度和换热系数的变化频率非常快，零件之间的热量传递存在滞后性，使温度和换热系数的变化对活塞内部温度分布的影响不大。因此，进行活塞温度场计算时，可以将其作为稳态温度场来进行计算［3］。

1.2温度场计算结果

计算温度场时，为提高求解效率，根据活塞对称性，取四分之一模型。划分网格所得有限元模型如图1所示，该有限元模型共有单元203562个，节点536348个。活塞温度场如图2。从图中可以看出，活塞最高温度位于喉口边缘为369℃，第一环槽在230℃左右。活塞最低温度为54℃，位于裙部，温度场分布与试验测试结果基本一致。

图1　活塞有限元模型　

图2　活塞温度场

2　活塞热机耦合分析

（1）位移边界条件。进行活塞应力计算时，要给定约束，以消除位移对计算结果的影响。对连杆下端截面施加全位移约束，在四分之一活塞的对称面施加对称约束。

（2）载荷边界条件。根据活塞的实际工况，最大爆发压力P为17.2MPa，气缸内的燃气分别作用在活塞顶面、火力岸和环槽各处，由于节流的作用，第一环槽压力为0.75P；第一环岸压力为0.25P；第二环槽压力为0.2P［4］。在上止点时，活塞的瞬时加速度为4536m/s2。

（3）加载热载荷。计算活塞热机耦合应力时，把活塞的温度场作为一个载荷施加到活塞上，然后再进行热机耦合应力计算。

3　计算结果及分析

图3和图4分别是最大爆发压力下的机械应力场和热机耦合应力场。

从图3中可以看出，在单纯机械载荷作用下，活塞的最大拉应力在活塞销座的承压区域，为190MPa；从图4中可以看出，在温度场的影响下，活塞销座处的应力集中得到改善，最大应力减小了约70MPa。同时由于镶圈与活塞材料的导热系数不同，使得镶圈与活塞温差较大，造成这个部位应力较大。

图3　机械应力场图　

图4　热机耦合应力场

由以上计算结果可知，在温度场的影响下，活塞最大应力的位置和数值与单纯的机械载荷作用相比，均有较大的改变。因此，在活塞设计时，只计算最大燃烧压力下的活塞强度并不能很好地反映出活塞强度，应采用热机耦合应力对活塞进行强度校核，这样才能更加真实地反映活塞的薄弱部位，才可以为活塞的结构设计提供可靠性的依据。

4　结论

（1）到目前为止，活塞传热边界条件的确定仍然是很困难的问题。计算的边界条件可与实测值进行比较，然后再对边界条件进行修正，从而得到较为合理的传热边界条件。

（2）通过对比机械应力场和热机耦合应力场，热负荷产生的热应力会减小某些部位（如活塞销座区域）因燃气压力造成的机械应力。活塞较大应力出现在镶圈处和销座处。在镶圈活塞的设计和优化过程中，这些区域的设计需要特别关注。

（3）本文采用的是带镶圈的活塞，针对其应力较大的部位，可以采取一些方法来进行优化，如在活塞顶部加陶瓷层，减少传热量，从而减小热应力。

［1］冯耀南，张翼.振荡油腔位置对柴油机活塞温度场的影响 ［J］.装备制造技术，2009（6）：11.

［2］吴波，李慧，王旭兰等.高强化柴油机活塞的热机耦合强度分析［J］.机械制造，2012：50-52.

［3］谭建松.高强化柴油机活塞的热负荷及结构改进［D］.浙江：浙江大学，2000：22.

［4］俞小莉，翟昕，刘震涛等.柴油机燃烧室形状对活塞热负荷与机械负荷的影响［J］.内燃机工程，2002：45-48.

图1　发动机输出转矩特性

表1　液力变距器原始特性数据

图2　发动机与液力变矩器共同工作点

图3　车辆行驶驱动力—阻力平衡关系

4　结语

本文通过建立装有AT变速器的六轮全驱动重型车辆传动系统数学模型，分析了发动机与液力变矩器共同工作特性，并利用计算机软件仿真得到其共同工作点，得到共同工作时的输出转矩特性，进而对最高车速进行计算，得到的结果与实车设计需要相近，具有较高准确性与可靠性，可作为动力匹配设计的参考，可利用此方法选择不同的设计方案。在计算最大爬坡度时分析了两种爬坡模型，通过分析得到较为可靠的数据。本文通过对重型车辆的研究分析其动力性参数，所得结果可满足各行业使用需求，为今后设计同类型车辆提供数据支持。

参考文献：

［1］唐应时，肖启瑞等.汽车动力传动系仿真与优化［J］.计算机仿真，2009（6）.313-317.

［2］李春芾，陈慧岩等.发动机与液力变矩器匹配工作点算法研究［J］.农业机械学报，2009（3）11-15.

［3］王望予.汽车设计（第4版）［M］.北京：机械工业出版社，2005.

郭亮，1988年9月出生，河北省任丘市人，在读研究生，研究方向：动力机械结构强度与动态设计。