发动机热-结构瞬态方法分析

董亚男

（辽宁铁道职业技术学院，锦州 121000）

发动机热-结构瞬态方法分析

董亚男

（辽宁铁道职业技术学院，锦州 121000）

对发动机进行热-结构耦合研究，对发动机的设计和改进具有重要的实际意义。本文将应用ANSYS软件，采用瞬态研究方法研究发动机气缸垫的受热及受力情况。

发动机 热-结构 瞬态

发动机工作时气缸内混合气温度可达到2200～2800K，压力可达到3000～6000kPa。高温高压能造成缸体、缸垫、缸盖等零件发生剧烈变形。若冷却不充分，容易造成机体过热，效率下降，燃烧不充分等现象。若温度变化过快，也会造成发动机工作粗暴，使用寿命下降，零件变形，工作效率下降。因此，研究发动机进行热-结构耦合对发动机的设计和改进有着重要的实际意义。本文将应用ANSYS软件模拟计算发动机的工作，采用瞬态研究方法研究发动机气缸垫的受热及受力情况。

1　稳态和瞬态热分析比较

稳态分析通常用于研究稳定的热载荷对系统或部件结构的影响。一般，在瞬态分析之前先进行稳态分析，明确温度等初始分析[1-2]。瞬态分析用于研究随时间变化的温度场及其他参数。通常对温度场的计算采用瞬态分析，并将其作为热载荷进行应力分析。瞬态分析过程随着时间不断变化。因此，对温度场、流场、结构进行瞬态分析时，需要设定初始条件。初始条件可以使用稳态或瞬态条件。通常，将稳态分析结果作为瞬态分析的初始条件。

2　发动机模型建立

使用SolidWorks软件建立发动机的缸盖、缸体、气缸垫、螺栓和垫圈等五个部分的几何模型，模型整体装配如图1所示，缸垫模型则如图2所示。

图1　发动机装配体

图2　缸垫

3　网格划分

进行热分析时，网格划分需要达到足够密才能确保计算精度。特别是瞬态热-力非线性耦合分析，对模型网格划分有很高的要求。模型网格划分大部分采用六面体，无法生成六面体时使用四面体。划分后节点55万，单元19万。

图3　发动机装配体网格

图4　缸垫网格

4　边界条件

自由表面边界条件：发动机暴露在大气中的各个表面定义为自由表面，自由表面换热量少，使用ANSYS软件中标准换热系数，周围环境设定为22℃。

冷却表面边界条件：发动机中与冷却水接触表面定义为冷却表面。其最佳工作温度范围是80～90℃。介质温度确定为80℃。换热系数确定为2.6×10-3W/（mm2·℃）。

燃烧室表面边界条件：气体爆发燃烧时产生热量作用在燃烧室表面，介质温度确定为329℃，换热系数确定为2.907×10-3W/（mm2·℃）。

研究发动机的瞬态工作情况就是研究发动机在正常工作状态下的情况，需考虑发动机的工作时间。这里，发动机的工作周期为5ms，所以只研究发动机在5ms之内的变化情况。输入压力值见表1。

表1　输入压力值

5　结果分析

5.1热结果分析

气缸垫温度分布如图5所示，热通量分布如图6所示。分析可知，三层缸垫温度分布情况不同，下层缸垫两缸筒间连接部位出现温度最大值，冷却水口温度变化明显，缸垫圈内环部分向外温度梯度逐渐减小。最大热通量出现在缸垫内圈，活塞上下运动产生的热量主要作用在缸垫内圈上，再由内圈向外部逐渐扩散。温度变化和热通量情况均符合实际情况。

图5　 气缸垫（下面）温度云图

图6　 缸垫（下面）总热通量

5.2力结果分析

气缸垫应力分布如图7所示，气缸垫接触压力分布如图8所示。发动机正常工作时，气缸垫要受到螺栓预紧力的作用，从而气缸垫压缩。另外，气缸垫还要受到爆发气体作用，从而气缸垫受力回弹。可见，气缸垫上、下板变化情况不同。分析可知，气缸垫应力基本保持1000MPa左右。根据应力云图分析，气缸垫凸起边缘受力变化明显，螺栓孔附近受力变大。在气缸垫外面凸起的部分所受压力小于缸口周围，以保证气缸垫受力平衡。分析接触压力，气缸垫与缸体、缸盖间接触压力约几十到几百兆帕，远大于油压和水压，可有效保证气缸垫的密封作用。

图7　气缸垫（下面）应力云图

图8　气缸垫（下面） 接触压力云图

[1]何俊，赖玉活.基于ANSYS Workbench的数控车床主轴系统热-结构耦合分析[J].组合机床与自动化加工技术，2011，（1）：20-23.

[2]李会勋，胡迎春，张建忠.利用ANSYS模拟螺栓预紧力的研究[J].山东科技大学学报，2006，（1）：18-20.

Engine Heat-structure Transient Methodanalysis

DONG Yanan
(Locomotive Department of Liaoning Institute of Rail way Technology, Jinzhou 121000)

Heat-st ructure coupling rese arch for the engine has important practical significance to improve and design engine. Application of ANSYS so ftware engine cylinder gasket heat and stress distributionis studied by transientmethod.

engine, heat-structure, tran sient