第22卷第1期兵工学报Vol.22No.1

2001年2月ACTAARMAMENTARIIFeb.　2001

柴油机活塞的温度场、热变形与

应力三维有限元分析

薛明德　丁宏伟　王利华

(清华大学工程力学系,北京,100084)

摘要　本文应用MARC有限元分析软件,采用三维有限元法计算大功率柴油机活塞在热载荷作用下的温度场和换热情况,并在此基础上分析活塞的热变形及热应力场,确定活塞失效的主要位置,从而为改进设计提供参考。

关键词　内燃机;活塞;三维有限元法;温度场;热结构分析中图分类号　TJ81O.31

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　　活塞是柴油机中承受热载荷并将热能转换为机械能的主要部件,其工作条件十分严酷。热载荷所产生的热变形与应力是引起活塞破坏的主要因素。正确分析活塞的非轴对称热变形,可以为合理设计与加工活塞外轮廓提供依据,改善在受热工况下活塞与汽缸壁之间的配合状况。准确地分析热应力可以为改善活塞的换热条件,避免因热应力造成其破坏提供基本的分析依据。而要正确分析热变形与应力,首先需要正确计算活塞中的温度场。

本文根据铝制柴油机活塞的结构、材料性质和若干关键点的测量温度,多次改变活塞热边界条件,用三维稳态有限元法计算温度场,并在此基础上计算活塞的热变形和热应力。

活塞计算有二个主要难点,一是其几何造型特别复杂,二是活塞的热边界条件难以确定。与国内外文献[1～5]中已报导的主要计算结果相比较,本文所建立的结构模型更接近于实际,从而模型更为复杂,计算规模非常大。此外,本文改变热边界条件经过了一百几十次试算,使所得到的温度场与实测温度场之差不超过2%.

图1.1　活塞有限元模型

Fig.1.1　Finiteelementmodelofthepiston

献[1～5]相比,本文所采用的模型有几方面特点:

(1)对于所分析的活塞,冷却油腔是重要的冷却通道,必须予以仔细分析,如实建模。

(2)油孔座的存在使活塞在几何上没有对称面,造成分析的困难。它虽然对温度场影响不大,但对结构热变形会造成一定的影响,因此予以考虑。此外,油孔座中的出油孔、进油孔各为一个很小的垂直孔道,影响不大,本文分析中未予考虑。

(3)活塞外表面在销孔附近两个侧面各有三个加工面,其存在对结构热变形有一定影响,分析中给予了考虑。

(4)考虑到以上因素后,整个活塞不存在几何对称面,故计算时不能只取1/4或1/2、而需对整个结构建模;又在活塞头部温度梯度很大,网格划分需加密。

1　有限元模型的确立

1.1　几何模型和单元划分

三维有限元网格如图1.1所示。以活塞中心线为z轴,x轴、y轴分别平行、垂直于活塞销轴。与文