毕业基于ANSYS的发动机活塞三维温度场计算（终稿）.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑毕业基于ANSYS的发动机活塞三维温度场计算（终稿） ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 汽车学院2205050133 张兆玮 基于有限单元法的发动机活塞三维温度场计算 第一章 引言 活塞作为发动机最主要的受热零件之一,它的工作处境直接关系到内燃机的工作稳当性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能，其性能的好坏直接影响整机的性能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，且温度分布很不平匀，导致活塞产生热应力和热变形随着内燃机在强化程度和热负荷水平上的大幅度提高，由于特殊工况，而导致的热负荷问题更加突出如何正确模拟内燃机的特殊工况，切实计算活塞的温度场是解决这个问题的关键假设得到其温度场,便可有目的地举行设计,减小热负荷 有限元方法的根本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些适合的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

因此，对活塞举行温度场、应力场以及热负荷和机械负荷共同作用的藕合应力场举行有限元分析，了解活塞的热负荷和综合应力分布处境，进而提升活塞，提高其工作稳当性具有重要意义 本文利用Pro/Engineer软件的实体建模方法，建立了某汽油机活塞的三维实体模型，对其温度场在三维有限元软件ANSYS中举行了模拟分析 1.1活塞热状态概述 活塞是内燃机中处在分外不利的条件下的一个重要零件[1]活塞受高温燃气周期行的加热作用燃气的最高瞬时温度一般都高达1600 ~ 1800℃，燃气平均温度也高达600 ~ 800℃左右随着内燃机的平均有效压力和活塞平均速度的不断提高，就伴随着燃气最高温度和平均温度相应升高高温燃气与活塞顶面通过对流和辐射两种方式将热量传给活塞，从而使活塞组的热负荷显著提高 评定活塞热状态首先是活塞顶的最高温度，一般活塞顶的最高温度高达300 ~ 350℃左右，随着汽缸直径增大那么其最高温度更高，再加上大缸径活塞其壁较厚，那么内外壁面的温差较大，从而使产生的热应力也较大内燃机的活塞，值从机械强度方面来衡量往往是不够的，还务必保证活塞适当的热状态换言之，强度计算务必由热应力计算做补充。

在大型低速内燃机中其热应力甚至比机械应力大数倍由于活塞顶部温度过高，在达成确定限度后材料强度显著降低，一般铝合金当温度达300℃左右时机械强度要下降50%左右，在350摄氏度左右已达成其材料允许极限，温度达成380 ~ 400℃以上就不能保证持续稳当的运转除此之外，在高温条件下材料的抗弹性变形和抗塑性变形的才能也随之下降，还会展现高温 第 1 页 共 30 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 汽车学院2205050133 张兆玮 基于有限单元法的发动机活塞三维温度场计算 蠕变，甚至会在局部区域（如燃烧室喉口尖角处，火焰冲击区域）展现热点局部温度更高就会产生塑性变形，热裂甚至烧损由于活塞顶部温差较大会产生很高的热应力，从而使活塞展现疲乏裂缝损坏评定活塞热状态除了活塞顶最高温度和热应力外，第一道环槽温度也是重要的第一道环槽温度过高使环带处润滑油结胶，结碳，致使活塞环卡死在环槽中，引起漏气和串油由于密封恶化，炽烈的燃气窜过活塞环，使活塞的温度进一步提高，同时使输出功率下降，严重时引起活塞环折断和拉缸事故。

一般认为第一道环槽温度在200℃以下长期使用不会发生结胶，结碳，当温度超过200℃那么没超过10℃结碳增加一倍，若超过240 ~ 250℃就会严重结碳甚至活塞环卡死，当然这还与润滑油品质和使用条件有关 从燃气传入活塞顶的热量一般约为燃料燃烧总热量的2 ~ 4%，约占传给冷却水热量的33 ~ 58 %由活塞传给汽缸壁的热量通过活塞环，活塞销，活塞内外观的空气，油雾和冷却油腔的冷却油带走其散热途径与活塞布局和冷却的方式紧密有关一般没有冷却油腔的或是大片面热量（62 ~ 67 %）系通过活塞环散去，而有冷却腔的活塞大片面热量通过冷却油带走，经过活塞环散去的热量仅为2 ~ 40 %左右这样第一道活塞环的热负荷就显著降低，但活塞顶部的热应力就显著增加因此对不同冷却方案它们的布局设计和热状态就全然不同 综上所述，内燃机活塞式一个在很不利的受热状态条件下工作的零件，活塞的使用稳当性在很大程度上影响整台内燃机的使用稳当性并且在某种程度上将限制内燃机升功率进一步提高而其中活塞的热状态是主要的一个因素 要评价活塞的热状态，直观而有效的方法是求得活塞的温度场，从温度场就可总观活塞温度的全貌及其热流分布是否合理，以便为其热负荷的改善指明途径，同时活塞的温度场还是求取热应力和热变形的主要依据。

根据求得的应力和变形，就可以判断活塞在工作状况下的疲乏强度，以及活塞的冷热外形，为活塞的最优化设计供给依据 1.2活塞温度场测试概述 目前，活塞设计多采用阅历值和理论计算(如有限元分析等) 来预料活塞在发动机中运行时的温度场分布[2]但该方法受到一些因素的制约(如活塞型式，边界条件等)，只能近似模拟活塞温度场，如想得到真实的数据,务必举行装机试验 目前国内外公司采用的活塞温度场测试方法主要有以下几种: 1.2.1硬度塞法 硬度塞法测试温度的原理是利用经过淬火的某种金属材料(一般采用GCr6、 第 2 页 共 30 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 汽车学院2205050133 张兆玮 基于有限单元法的发动机活塞三维温度场计算 Cr15 等) 在加热后产生永久性硬度变化,在不同的温度下举行回火,其外观硬度也将不同的现象这种硬度的结果变化,既取决于它所承受的最高温度,又取决于此温度所延续的时间。

因此,将金属材料加工成小螺钉,如图1 所示,并预先测出其温度- 硬度曲线,在测试时,把小螺钉装在被测零件上,当发动机按确定工况运行确定时间之后,取下这些小螺钉,并在硬度计上测出外观硬度,再根据该金属材料的温度- 硬度曲线,即可得到温度数据此法为目前国际通用的方法该测试方式精度(5 ℃～25 ℃) 与硬度塞材料的平匀性、热处理工艺及操纵等均紧密相关,人为的操作误差影响也较大,需要有确定阅历的专业人员来操作,硬度计上测定刻痕长度的光学计量精度也有确定影响其优点是操作简朴,本金较低,只需在待测部位加工出螺纹孔,安装硬度塞即可举行试验,无需热电偶导线和其它试验系统装置 图1.1 该测试方式只能得到某一工况下的最高温度在试验前务必确保螺钉安装的切实、稳当性及空隙,防止螺钉蹦出螺孔 1.2.2残留硬度法 利用铝合金在高温状态下硬度降低现象,直接举行活塞温度分布测量,这是应用硬度法测温度的简易原理该测量方法是通过从与被测活塞一致的活塞(铸造后,热处理前,未加工) 上切下适合温度测量的确定厚度的圆板,在测温的一面适当加工,放在恒温炉中,在测定温度范围内每隔25 ℃依次保温10 小时、25 小时??,然后在常温下测量其硬度,并绘制该合金的硬度- 温度曲线。

再将被测活塞装入发动机中,在确定的转速、负荷下运转,其运转时间和与制取硬度- 温度曲线一致在测验 第 3 页 共 30 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 汽车学院2205050133 张兆玮 基于有限单元法的发动机活塞三维温度场计算 过程中,发动机点火提前角、供油量、油温、水温以及影响温度的因素应尽量保持恒定,更加是不允许产生爆震等奇怪燃烧现象试验后取出活塞,从活塞上切下预料温片面,用硬度计测量硬度然后利用已制成的硬度- 温度曲线,把硬度换算成温度此种方法测量精度更低,不适用于测量活塞温度的十足值,但它却是测量活塞温度分布的较好方法为了制止相邻测点间的硬度影响,测点间隔一般不小于4mm ,测点距离边缘距离也要大于4mm 1.2.3易熔合金法 易熔合金法的原理是利用纯金属或共晶转变的各种不同成分的合金有不同熔点这一物理特性举行试验,见图1.2易熔合金的冶炼需要有特意的技术,熔点一般在90～400 ℃之间。

图1.2 利用易熔合金测量温度的关键是预先估计所测部位的温度大致范围及易熔合金丝的装配质量在安装易熔合金时,须以不破坏原零件的温度场和传热为原那么(这也是其它测试方式的原那么) 假设易熔合金丝与零件上的孔之间接触不良、积炭、残留合金或有小变形,或者燃气进入缝隙等处境,将导致热阻增大或变更热流方向,都会影响测试的切实性和精度为了能较切实地测出测试部位的温度,应在欲测部位装入能包含该温度的几个相连续温度的易熔合金丝在装配易熔合金之前,活塞要经过充分磨合, 并将发动机性能调整至正常状态将装好易熔合金的活塞装入发动机,再稍加磨合在磨合时,应在小负荷工况下磨合,并更加留神操纵发动机冷却水温、油温以及制止爆震燃烧和猛轰油门易熔合金丝直径有的采用Φ2. 7mm为了使易熔合金丝和孔接触良好,可用专用工具轻小扣实,其顶部应修整成与零件外观齐平,并用带孔冲头收口,制止易熔合金丝受振动或惯性力的作用而窜出测温终止之后,检查活塞易熔合金的熔化处境,对个别测温点所装易熔合金丝全部熔化或不熔化的处境,应重新选择易熔合金丝举行试验此时应将原测温孔中的积碳和残留合金等清理明净之后,再装入新的易熔合金丝。

更加留神的是,其次次测 第 4 页 共 30 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 汽车学院2205050133 张兆玮 基于有限单元法的发动机活塞三维温度场计算 试时,发动机工况、冷却水温、油温等试验条件应保持与第一次一致应尽量裁减重装次数,若重复三次以上,那么测试精度很难达成要求值得留神的问题是,应将安装易熔合金丝的位置、依次、熔点值记牢,不要把易熔合金丝弄错,以免难于分析理由 1.2.4四连杆机构法 图1.3 以上测试方法均属于非电量测量法还有一种热电偶测量温度法,通过热电偶导线把活塞温度传启程动机外,属于接触式测量,需要有特意的机构把热电偶导线引启程动机一般采用四连杆机构法,如图1.3 所示把热电偶线固定在特制的联接机构上,以防止热电偶丝发生折断当活塞在发动机内部上下运行过程中,关节A 既作直线运动又作旋转运动,而关节B 以通过摇臂6 的销的支点C 为中心作摇摆运动。

为了使连杆机构在运动过程中不与连杆、曲轴、缸体等零件相碰,支点C 的位置应于关节A 上下止点的中间。