柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷分析

0材料的熱負(fù)荷激活是傳統(tǒng)汽機(jī)件的核心部件之一。它的性能直接影響到整個(gè)汽機(jī)件的性能和可靠性?；钊闹饕τ檬浅惺軞飧變?nèi)的燃燒壓力,并將此力通過(guò)活塞銷(xiāo)和連桿傳遞給曲軸。其作為內(nèi)燃機(jī)的主要受熱零部件之一,由于受熱面積大,散熱條件差,狀態(tài)交替迅速,因而承受非常大的熱負(fù)荷。由此產(chǎn)生的熱變形嚴(yán)重影響著活塞的工作性能,使用壽命,并可能導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)嚴(yán)重磨損、拉缸,甚至破壞等故障,極大地影響整機(jī)的性能和可靠性。因此,在進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)工作時(shí),必須考慮其熱負(fù)荷問(wèn)題,應(yīng)對(duì)其進(jìn)行熱場(chǎng)預(yù)測(cè)及數(shù)值分析,研究其熱應(yīng)力和熱變形等,為設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供理論依據(jù)。要評(píng)價(jià)活塞的熱負(fù)荷,直觀而有效的方法是求得活塞的溫度場(chǎng),從溫度場(chǎng)就可總觀活塞溫度的全貌及其熱流分布是否合理,以便為其熱負(fù)荷的改善指明途徑,同時(shí)活塞的溫度場(chǎng)還是求取熱應(yīng)力和熱變形的主要依據(jù)。為提升CB250小型汽油機(jī)性能,改良其活塞缺陷,廠家提出對(duì)其活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),在改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程中,為考察其熱負(fù)荷狀況,筆者以其鋁合金活塞為研究對(duì)象,建立有限元熱分析模型,進(jìn)行仿真計(jì)算,得出活塞在熱負(fù)荷作用下的溫度分布,進(jìn)而進(jìn)行熱變形分析,為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化提供依據(jù)。1多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)的熱分析ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件,其解決問(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。它是一個(gè)協(xié)同、開(kāi)放、集成的多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)。我們運(yùn)用其熱分析功能,對(duì)CB250活塞進(jìn)行熱分析。分析對(duì)象是平頂型活塞,分析流程是,首先在應(yīng)用Pro/E建立三維模型,然后導(dǎo)入HyperMesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,接著導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中,計(jì)算得到活塞的溫度場(chǎng)、熱變形、熱應(yīng)力等結(jié)果。1.1優(yōu)化單元的確定一般來(lái)說(shuō)有限元單元?jiǎng)澐衷叫?計(jì)算精度就越高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,在一定的計(jì)算時(shí)間內(nèi),計(jì)算機(jī)處理的單元數(shù)目大大增加,對(duì)于活塞樣形狀復(fù)雜和溫度變化劇烈的受熱件,可以把單元畫(huà)得精細(xì)一些。針對(duì)項(xiàng)目要求,網(wǎng)格劃分采用一階四面體網(wǎng)格單元,單元尺寸為4mm,所建立有限元網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1,共計(jì)5652個(gè)節(jié)點(diǎn),20082個(gè)單元。1.2設(shè)備總導(dǎo)熱系數(shù)該發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞采用硅鋁合金材料,其物理特性參數(shù)為密度2700kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)247W/(m·K),比熱880J/(kg·℃),彈性模量6.9×104MPa,泊松比0.33,熱線性膨脹系數(shù)8.42×10-5。2激活溫度場(chǎng)分析2.1插裝式組合環(huán)境的熱分析我們所分析活塞,無(wú)內(nèi)熱源,邊界條件屬于第三類(lèi)邊界條件,即給定流體溫度和對(duì)流換熱系數(shù)求溫度。在確定邊界條件時(shí),應(yīng)考慮諸多因素并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算換熱系數(shù),活塞環(huán)區(qū)、活塞裙部外側(cè)以及活塞內(nèi)腔的當(dāng)量熱交換系數(shù)等。通常要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)邊界條件進(jìn)行修正,活塞溫度場(chǎng)的測(cè)量對(duì)解決活塞熱負(fù)荷問(wèn)題具有重要作用,它可為活塞熱分析提供依據(jù)。鑒于企業(yè)實(shí)驗(yàn)條件所限,根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及參考相關(guān)文獻(xiàn)資料,活塞的分析邊界條件按照表1參數(shù)進(jìn)行。2.2燃燒邊緣模擬根據(jù)上述所建有限元模型及邊界條件,提交計(jì)算,得到活塞溫度場(chǎng)分布,結(jié)果見(jiàn)圖2。可以看出,燃燒室邊緣是活塞最高溫度區(qū)域,其次是活塞頂面中心區(qū)域,該模擬結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)的觀點(diǎn)一致?；钊敳颗c燃?xì)饨佑|的表面最高溫度為679K即406℃,位于活塞頂部中心處,活塞環(huán)區(qū)的溫度比較合理,符合設(shè)計(jì)要求。3熱分析仿真活塞的熱變形直接影響活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程的配合間隙、油膜厚度和承載能力。在上述溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上,為了考察活塞在溫度場(chǎng)下的變形情況,接著進(jìn)行了活塞熱變形仿真分析計(jì)算,分析結(jié)果見(jiàn)圖3。通過(guò)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),活塞整體發(fā)生膨脹,熱變形呈非軸對(duì)稱(chēng)性,最大變形出現(xiàn)在活塞頂部的邊緣處,為6.22×10-2mm。活塞沿豎直方向的變形幅值見(jiàn)圖4。從仿真分析結(jié)果可以得出,該CB250汽油機(jī)活塞頂部的溫度稍高,特別是第一環(huán)槽部分的溫度過(guò)高,活塞頂部形成熱積累。導(dǎo)致該部位熱變形過(guò)大,在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中實(shí)際情況也是如此,需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。活塞環(huán)區(qū)的溫度對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性也是極為重要的,環(huán)區(qū)溫度過(guò)高,將使?jié)櫥妥冑|(zhì)甚至碳化,造成活塞環(huán)粘結(jié),失去活動(dòng)性,使環(huán)槽迅速磨損、變形,嚴(yán)重時(shí)將造成發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套擦傷,甚至拉缸。本例活塞環(huán)區(qū)溫度分布較為合理。4有限元模型建立a.利用CAD設(shè)計(jì)軟件(如PRO/E)進(jìn)行結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì),然后運(yùn)用前處理軟件(如Hypermesh)進(jìn)行有限元模型建立,最后提交有限元軟件(如Abaqus)仿真求解,快捷可行。b.通過(guò)