Solidwork活塞热负荷仿真有限元分析

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    活塞是内燃机中的重要零部件，工作过程中承受周期性的强烈热负荷作用，工作条件极其恶劣，其性能的好坏直接影响整机的性能。在正常工况下，活塞一般能够保持较为良好的工作状态，但在特殊工况下，如冷却不良、超负荷运转等，则会出现局部温度过高的现象，实践证明，活塞长时间在超负荷高温下运行，首先会引起材料强度降低，而材料强度的降低则意味着机件在长期工作中会出现永久变形、断裂以至局部发生烧伤，进而导致整机的故障，大大影响了整机的可靠性、耐久性。近几年来，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，准确计算活塞的温度场是解决这个问题的关键。
    
    目前复杂零部件热负荷分析中，大多采用有限元分析方法。由于活塞结构及边界条件复杂，所以在有限元计算中，任何参数的改变均会带来不必要的重复工作。以 COSMOS/ M 有限元程序语言为基础，编制了活塞参数化有限元计算程序，并运用 Delphi 语言编制了相应的数据接口，通过输入参数值的变化来模拟冷却不良及超负荷运转等特殊工况，进而对活塞的温度场和热变形进行计算分析，大大提高了多工况下活塞热负荷分析的效率，为活塞的多工况热负荷故障仿真提供了一种高效的分析方法。
    
    1 基于活塞热负荷的参数化三维有限元计算程序
    
    1. 1 参数化有限元模型
    
    有限元分析软件在绘图、运算命令中引入参数，通过参数实现与外界程序、数据库的有效连接，扩展了有限元计算程序的应用范围，使其具有更强的可扩充性，为建立专业有限元参数化分析模型提供了操作平台，成为复杂零部件优化设计分析的有力工具。参数化有限元程序语言主要由参数定义赋值语句、数学运算操作语句、程序流程控制语句、参数化绘图语句、物性参数设置语句、边界条件设置语句、分析设置及执行语句组成。运用参数化有限元模型不仅能对具体尺寸的复杂零部件进行数值分析，而且可以通过参数接口对某一结构类型的零部件模型进行变参数的数值计算。
    
    由于参数的引入，在有限元模型的建立过程中，不但要考虑各参数化图形元素之间的形位关系，避免尺寸、形位之间的相互干扰，而且要使建立的几何模型符合网格划分及边界条件附加的要求，根据分析实体的不同类型和尺寸，采用不同的边界参数和有效的网格处理方法。这不但增加了参数化有限元模型中几何建模的难度，也加大了参数设计、程序编制的复杂性。
    
    1. 2 参数及其输入接口
    
    根据活塞几何结构及边界条件的特点，将活塞热负荷分析输入参数归结为几何参数、物性参数、边界参数、网格参数及分析参数 5 大类。根据 490 型柴油机活塞的结构及工作运行状况，本次参数化有限元计算程序采用 1/4 几何模型进行计算，输入参数如表 1。
   

    根据活塞热负荷分析中边界条件附加的要求，将活塞的边界分成 45 个区域，边界条件分别由 45 个边界参数值决定。边界条件值可以通过第一类或第三类边界条件的形式输入。几何参数设置时给出具体活塞尺寸为默认值，非参数值为具体尺寸。参数的输入界面均有示意图，如图 1 所示。参数接口处理程序主要负责检查输入参数值的合理性、一致性及有效性，避免出现数据冲突和异常，最后将检验后的参数值输入有限元计算程序进行计算。
   

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    1. 3 参数化有限元计算程序及输出接口
    
    参数化有限元计算程序根据输入的参数值，依次进行物性参数设置、三维几何建模、网格设置及自动划分、边界条件附加、分析类型及输出设置、执行计算，计算流程如图 2 所示。这一系列任务由各自模块独立完成，最终形成输出结果文件。输出处理程序依据计算目标、输入的参数值，通过对输出结果文件的查询，完成最终结果的输出。在特殊工况下的活塞热负荷分析是一个变参数的计算分析问题，通过本计算程序边界条件的输入接口，输入相应工况下的边界条件，便能实现对活塞热负荷的计算分析，避免了对活塞复杂模型的操作和处理过程，既减少了人为干预的错误，又大大提高了分析效率。
   

    2 边界条件的模拟应用
    
    活塞热负荷分析的边界条件，主要分为活塞顶部、环岸、活塞环区、裙部、底腔 5 个区域。以 490 型柴油机标定工况下的示功图为基础，计算出各边界区域的平均边界值，然后依据内燃机热负荷及传热理论、活塞结构及运行特点进行各区域的具体布置。在特殊工况下，不同区域的边界值发生明显变化，对活塞的温度场、热变形产生显著影响。
    
    2. 1 运行工况对活塞顶面与燃气换热系数的影响
    
    运行工况主要指内燃机运行过程中的负荷及速度的影响。一般情况下，平均有效压力 Pe 加大，将使缸内燃气密度加大，温度升高，造成对流及辐射换热增强；转速 n 值增大，则使缸内气流扰动加大，对流换热增强。总之，高速高负荷工况是对流及辐射换热的严重工况，依据缸内传热 Woschni 公式，对不同速度和负荷下总体换热系数进行定量计算。
    
    2. 2 冷却水与壁面间对流换热的影响因素
    
    在水冷发动机缸壁的冷却水一侧，对流换热系数 a 值的大小主要取决于壁面附近的流体边界层性质。而边界层的厚度主要取决于水流速度和缸壁的表面特性，随着内燃机运行时间的增加及工况的变化，可能出现缸壁表面粗糙度增加，冷却水局部流速减小甚至为零的情况。依据活塞侧面综合放热系数多层热阻叠加原理，计算并分析了冷却水对流换热系数及水温变化对整体活塞温度分布及热变形的影响。
    
    3 结果与分析
    
    3. 1 标定工况下的活塞温度场和热变形
    
    490 型柴油机在标定工况（3 000 r/ min，满负荷）下正常运转时，燃烧室燃气平均温度为 803 ℃，平均换热系数为 412W/ m2℃ ，将处理后的边界值输入参数化有限元程序，结果如图 3 所示。
   

    由图 3 可以看出，标定工况下，活塞的最高温度为 255. 63℃ ，出现在顶部燃烧室喉口边缘，顶环槽最高温度为 224. 9 ℃ 。活塞热变形的最大径向位移为 0. 252 7 mm，发生在活塞头部的销轴垂直面上，裙部最大径向位移为 0. 193 6 mm，发生在销轴上部。
    
    3. 2 高速高负荷下的活塞温度场和热变形
    
    在高速高负荷下运转的内燃机，燃气温度、活塞顶面的换热系数均有相应的提高。依据不同负荷下的运转工况，分别按表 2 所示热边界条件进行计算，结果如图 4，5，6。从图中可看出，随着 490 型柴油机运行速度和负荷的增加，整体活塞的温度和热变形增加明显。图 6 为热负荷最严重的第 4 种工况，此时活塞最高温度为 288. 96 ℃，顶环槽最高温度为 252. 57 ℃，活塞最大径向位移为 0. 286 23 mm，裙部最大径向位移增加到 0. 214 4 mm。
   

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    3. 3 冷却不良下的活塞温度场和热变形
    
    由于冷却水内腔表面特性的改变和局部冷却水流速的变化，势必对冷却水的对流换热产生影响，进而使缸壁的综合换热系数发生变化。综合考虑两者的影响，将冷却水对流换热系数由正常工况的 2 845 W/ m2 ℃，依次减小为 2 660，2 401，2 198，2 000，1 840（W/ m2 ℃），分别输入参数化有限元程序进行计算，结果如图 7，8。
    
    从图 7，8 可以看出，当冷却水对流换热系数减小时，活塞整体温度迅速增加，而后温升减慢，这与多层热阻叠加原理相一致。当冷却水对流换热系数减少到 1840 W/ m2 ℃，活塞最高温度已达到 296. 92 ℃，顶环槽最高温度也达到 263. 17 ℃。如在此工况下运行时间过长，必将造成整机可靠性下降，甚至导致整机故障出现。
   

    4 结论
    
    （1）运用 COSMOS/ M 参数化有限元程序语言及 Delphi 语言，编制了活塞参数化有限元计算程序及其相应的数据接口，为活塞变参数值的热负荷定量分析及优化设计提供了有力工具，并对 490 型柴油机特殊工况下的热负荷进行了仿真计算分析。
    
    （2）通过计算可以看出，在高速高负荷及冷却不良的特殊工况下，490 型柴油机活塞的整体温度上升明显，活塞最高温度及活塞顶环槽的最高温度均已超过活塞正常运行的峰值，大大降低了内燃机整机的可靠性，这恰恰也是部分 490 型柴油机在实际应用中，长时间高速超负荷运行进而导致活塞系统产生润滑不良、磨损加剧，甚至抱缸、卡死等故障的主要原因。上述事实一方面说明 490 型柴油机活塞不易在高速高负荷工况下运行时间过长，同时也表明了冷却水系统对于水冷柴油机活塞保持正常运行状态的重要性。