基于ANSYS活塞有限元温度场的分析与研究

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第一章 绪论

1.1内燃机活塞组有限元研究的背景和意义

内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，它主要利用燃料燃烧释放出的热能产生有用的机械能做功。经历了百余年的发展，内燃机领域己经取得了长足的进步。在现今的社会中，几乎所有的交通工具均以内燃机做其核心的动力源。回溯整个20世纪，内燃机技术的成熟推动了整个人类社会向前进步，其广泛的应用也造就了这个世纪的繁荣。

随着各种新技术的研究成果应用到发动机设计过程中，以及愈来愈严格的排放法规的现在，发动机正想着高转速，高功率和低油耗的方向发展。功率的提高必然带来一些负面的影响。如加重了活塞的热负荷，使得活塞的温度超过活塞材料所能承受的味道，大大降低了活塞磁疗的强度，严重时可能活塞会出现龟裂甚至烧损。缸内爆发压力增加是活塞和缸体，缸盖承受的接卸符合增大。可能导致活塞和缸体缸盖因强度不足而产生破坏。此外压力升高率过大时，会产生敲缸现象，增加发动机的燃烧噪声，当提高发动机的转速以增大发动机的功率时，各个运动部件的惯性力也随着增加，使得活塞销和活塞销座的受力问题更为突出。缸体对活塞的支撑力也增大。于是发动机的噪声问题成为整车噪声中的主要问题【21】。

尽管转速的自己可以减少发动机的传热损失，但却同时造成发动机的NOx排放增加，在排放法规要求日益严格的今天，这一问题的得与失显得要慎重考虑。不仅如此，还会造成摩擦损失的增加。

在满足发动机高功率设计的同时，必须要考虑发动机的温度和强度方面的要求。发动机是一切动力装置的新章，而作为发动机关键部件的活塞又是重中之重，活塞热负荷和热强度问题的解决常常是提高征集技术水平的关键，直接影响内燃机工作可靠性和耐久性。为了减少发动机的整机重量和提高功率，中小型柴油机几乎都采用铝合金作为材料，为了减少活塞的传热和热负荷，人们正尝试使用陶瓷作为活塞的材料。

有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。它不但可以解决工程中的结构分析问题，也成功地解决了传热学，流体力学，电磁学和声学等领域的问题。有限元计算结果可以作为各类工业产品设计和想能分析的可靠依据。使用有限元方法分析活塞模型，可以很直接的分析活塞零部件的就够强度问题。热负荷问题，而研究分析的结果与试验箱就和将验证试验进行的有效性。

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鉴于此，采用有限元技术，应用ANSYS软件，对某发动机活塞进行了温度场的数值模拟,进而了解了活塞的热负荷状态和热应力分布情况,为降低热负荷,改善热应力分布和改进设计,提高内燃机的性能与可靠性提供必要的理论依据,具有十分重要的意义。

1.2有限元分析研究的发展现状

有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，市场了各种复杂工程问题的主要分析手段，也是进行科学研究的重要工具。目前，国际上有90%的机械产品和装备都有采用有限元方法进行分析，进而进行设计修改和优化。实际上有限元分析已成为替代大量食物试验的数值话“虚拟实验”，基于该方法的大量计算分析与典型的验证想试验箱结合可以做到高效率和低成本。

20世纪40年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻，强度高，刚度好，人们不得不尽享精确的设计和计算，正是在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法。1941年，Hrenikoff使用“框架变形功方法”求解了一个弹性的问题，1943年，courant发表了一篇使用三角形区域的多项式函数求解扭转问题的论文，这些工作开创了有限元分析的先河。1956年波音公司的Tumer，Clough,Martin和Topp在分析飞机就够是系统研究了离散杆，梁，三角形的单元刚到表达式，并求得盈利问题的正确解答。1960年，Clough在处理屏幕弹性问题时，第一次提出并使用“有限元方法”的名称。随后大量的工程师开始使用这一离散方法来处理结构分析，流体问题，热传导等复杂问题。1970年以后，有限元方法开始应用于出来几个分析，流体问题，热传导等复杂我问题。1970年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题，Oden于1972年出版了第一本关于处理非线性了连续体的专著。在工程师研究和应用有限元方法的同时，一些数学家也在研究有限元方法的数学基础。1943年Courant的研究了求救平衡问题的变分方法，1963年，Besseling，Melosh和Jones等人研究了有限元方法的思想原理。我国的湖海昌于1954年推出里广义变分原理，钱伟长最先研究里拉格朗日乘子法和广义变分原理之间的冠以，冯康研究了有限元分析的精度和收敛性问题

【14】

。

由于有限元方法的研究在科学研究和工程分析中的作用和地位，关于有限元方法的研究已成 为数值计算的主流。目前，国际上著名的通用有限元分析软有ANSYS,ABAQUS,MSC/NASTRAN,MSC/MARC,ADINA,ALGOR,PRO/MECHANICA,IDEAS等。

1.3内燃机活塞有限元已经发展的趋势

1.31内燃机与活塞的热负荷

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内燃机的热负荷包括两个方面的含义;

其一是，内燃机的受热冷部件由于温度过高而失去工作能力。如零部件由于高温而烧蚀，烧熔；零部件收热变形，破坏了正常的工作间隙；材料强度因高温急剧下降或硬度下降而加速磨损；高温引起润滑油结胶等。但内燃机零部件的味道并非越多越好，作为内燃机燃烧冷部件，它必须维持一定的热状态或温度水平，以保证真诚的燃烧过程进行。某些零件还比限定其最低的许可温度，以预防材质的冷腐蚀。如活塞顶和第一环槽处的味道分别不能低于205℃和140℃，缸套下咽我的不能低于100℃等。

其二是，内燃机受热零部件的高周疲劳破坏和低周疲劳破坏。它一直是偶工作循环的味道波动而产生的高周热应力，或内燃机频繁起动、停车和蝙蝠和运转而产生的低周热应力，在活塞顶部、气缸盖底部等处与有我的梯度所产生的热应力叠加，而导致热疲劳损坏。

1.32 内燃机活塞国内外研究现状

活塞研究主要有传力、传热、导向、密封、减轻重量和耐磨六个方面，实际上会絮叨一定相互矛盾的问题。有些问题如密封效果，磨损熟虑等着很难计算。活塞的设计在很大程度上依赖于又有的大量专门的试验研究的成果和经验。在活塞传热、温度场、应力场研究上，无论在理论分析方面还是在试验方法方面目前都已比较成熟【27】。八十年代国外有关研究有：利用有限元法对策研究活塞进行了数值分析，他详细论述了有限元方法在柴油机活塞设计中的应用，给出了温度场、热变形、机械变形以及应力场，反映了一般柴油机活塞在这方面的变化趋势。

国内八十年代初对内燃机受热件的瞬态温度场进行了一位老外计算和有限元差分计算，对对一额吸纳工作和边界条件都十分复杂的活塞，一维数学模型就显得太粗糙，应用有很大的局限性。九十年代，按照热疲劳和高温低周活塞寿命和安全性进行评定。根据缸内温度和压力呈现三角波形变化的态度，采用ANSYS有限元程序对策研究性三维温度场的分析。利用Galerkin法原理，建立了轴对称热冲击问题的有限元方程，对策研究活塞进行了数值分析，研究活塞的热冲击和热损伤机理【28】。

1.4 本文的主要研究内容的介绍

活塞热负荷的解决常常是提高整机技术水平的关键，直接影响发动机工作可靠性和耐久性，而温度场的分析建立又是活塞热负荷的前提。特别在现代发动机向高增压、高强度的方向发展的趋势下，对活塞这样的收入零件仅考虑机械负荷时远远不够的。发动机实际运行中更多的表现为局部热负荷水平太高，超过材料的承受极限而引起热裂和烧熔等。因此，内燃机缸内传热的计算机房设计辅助优化设计已成为一大研究课题。热负荷水平常用零件工作的最高温度，局部不同方向的温度梯度及对应的热应力，

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热应变和零件局部承受的低频和高频热疲劳来评定。本课题正是应有计算机技术，利用目前在国内十分流行的有限元分析软件ANSYS，在UG里面建立了某个发动机的活塞几何模型，基本目的是解决工程技术中受热件温度过高造成的零件破坏问题。更进一步的目标是期望对未来的发动机早期设计在采用数值模拟方面做一些有益的探索，减少盲目的设计和实验成本。

本文的具体内容为：使用UG三维作图软件建立了活塞的实体模型，并将其导入ANSYS软件进行温度场的分析和处理，得到了内容丰富的结果数据。依据发动机的实测示功图，按照公式，用积分方法得到了活塞顶部燃气对活塞的换热系数和环境温度。分析活塞在缸内的受热情况，从理论上深入了解模型的简化方法，施加适当的边界条件和约束关系，计算活塞在温度等载荷条件下的温度分布。

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第二章 有限元热分析的理论基础

2.1有限元法的简介

2.11有限元法基本原理和基本流程

在工程技术领域中有许多发展结构，包括复杂的几何形状、载荷作用和支承约束等。当对这些复杂问题进行静、动态力学性能分析是，往往难以用解析方法写出其基本方程，也难以确定它们的边界条件，更求不出解析解。对于这类工程实际问题，通常有两种分析和研究途径：一是对复杂问题进行简化，提出种种假设，最终简化为一个能够求解的问题。这种方法由于太多的假设和简化，将导致求解不准确乃至得出错误的答案。另一种方法是尽可能保留问题的各种实际工况，寻求近似的数值解。在计算机技术和数值计算方法飞速发展的今天，后者已经成为较为现实而又非常有效的选择。在众多的近似分析方法中，有限元法是最为成功和运用最为广泛的方法[32]。

有限元单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式组合，且单元本身有可以有不同的形状，因此可以模拟化几何形状复杂的求解域。有限元法作为数值分析方法的另外一个重要特点就是利用在每个单元内加速的金属函数来分片的表示全求解域上的带球的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量（也即自由度），从而使一个连续的有限元自由度问题变成离散的有限元自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元每场函数的近视值，从而的到整个求解域内的近似解。显然随着单元数码得到增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着电影自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后收敛于精确解。

概括地说，利用有限元法处理活塞温度分析的基本思路就是将一个连续的整体进行离散化,分割成彼此用节点相连接的有限个单元,建立单元的泛函叠加而得到的整个结构的泛函关于温度的表达式,再由求泛函极值的方法,得到以结构节点温度为未知数的线性方程组,解之可以求得结构节点的温度值[29-31]。

完整的有限元法的基本流程图如下图所示：

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2.1.2有限元法的优缺点

有限元法的优点是显而易见的，其主要是【34】： （1） （2）

概念浅显，易于掌握，既可以从直接的物理模型来理解，也可以按适应性强，应用范围广，不仅能成功地分析具有复杂边界条件、非

严格的数量逻辑来研究；

线性、非均质材料、动力学等难题，而且还可以推广到解答数理方程中的其它边值问题，如热传导、电磁场、流体力学等问题；

（3） （4）

由于前处理和后处理技术的发展，可以进行大量方案的比较分析，已经出现了许多大型结构分析通用程序，如

并迅速用图形表示计算结果，从而有利于对工程方案进行优化。 SAP,NASTRAN,ANSYS,ABAQUS,ASKA,ADINA等，可以直接应用。

这些优点使有限元得到了广泛的应用和发展。 但是，有限元法也后不知，最主要体现在应用上： （1）

有限元计算，尤其是在复杂问题的飞行上，所耗费的就是资源是相

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当惊人的，就是资源包括技术设计、内存和硬盘。

（2） （3） （4）

【33】

对无限区域问题，有限元法较难处理。

结构现在的有限元软件提供了自动化分网格的就是，但到底采用什有限元分析所得结果不是计算复杂工程的全部。一个完整的机械设

么样的单元、网格密度多大才合适等问题完全依赖于经验。

计不能单独使用有限元分析完成，必须结合其他非和工程实践才能完成整个工程设计。

2.2活塞有限元热分析的理论基础

2.21 稳态温度场【35】

傅立叶定律的项链表达式为：

式中：q表示热流密度，单位是w/m， λ表示物质的导热系数，单位是W/m.℃ n表示单位法向向量

表示温度在n方向上的导数

负号表示热量传递方向指向温度降低的方向。 傅立叶定律向量表达式的分量形式可表示为:

式中: A表示面积，单位是mZ

Q表示流经单位面积的热量，单位是W。

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稳态温度场实在不随时间变化的温度场，下面将以傅立叶导热定律和能力守恒定律为基础推导出无内热源的微元刘面体（图2.1）稳态温度场的微分方程式。流入委员为六面体的热量

由（2.2）、（2.3）得：

可分解为

，流出微元六面体的热量

可分解为

又由能量守恒定律：

（2.5）

（2.4）代入（2.5）整理得：

因为-λ、dxdydz横不为零，则有：

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此即为无内源物体内部稳态温度场的微分方程式。

稳态温度场的微分方程式建立了温度与空间的关系，但满足此热传导方程的 解有无限个。为了确定稳态温度场微分方程式的唯一解，必须对其附加边界条件， 即定解条件。将之与稳态热传导热微分方程联立求解，可得到物体内部的温度场 分布。

2.22 温度场的三类边界条件【36】

求解稳态温度场的发布问题时，常见的边界条件可以归为三类：

1）第一类边界条件规定了边界上的温度值，此类边界条件最简单的典型例子就是规定边界我的保持常数，但大多数情况是指物体上的问答函数为已知，用公式表示为：

2）第二类边界条件规定了边界上的热流密度值，用公式表示为’

式中：q为已知热流密度（常数） q（x,y,z）为已知热流密度函数用

3）第三类边界条件是指与问题相接触的流体介质的温度Tf和换热系数α为已知，用公式表示为：

Tf与α可以是常数，但大多数情况是随位置而变化的函数。

2.3 ANSYS有限元分析软件的介绍【37】

ANSYS是由美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件。自1970年成立以来，ANSYS公司在其创始人John Wanson教授的领导下，不断吸取世界最先进的计算方法和计算机技术，引导者时间有限元分析软件的发展。一起先进性、可靠性、开放性等特点，被全球工业界广泛认可。

ANSYS是集结构、热、流他、电磁场、声场、和耦合场分析于一体的大型通用分析软件。ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通与运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，ANSYS是这些领域进行国际国内分析

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设计技术交流的主要分析平台。

ANSYS软件是第一个通过IS090001质量体系认证的大型分析设计类软件，是美国刚吃饭协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内，它第一个通过了这个压力容器标准化委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。

2.31 ANSYS的主要技术特点

ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在一下几个方面【39】：

1、 2、 3、 4、 5、 6、

数据统一。ANSYS使用同一的数据库来储存模型数据和求解结果，实现强大的建模功能。ANSYS具有三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI就可建强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生良好的优化功能。利用ANSYS的优化设计功能，用户可以确定最优设计

钱后处理分析求解及多场分析的数据统一。 立各种复杂的几何模型。 择合适的求解器。

何非线性、材料非线性及状态非线性分析。 成有限元网格。

方案;利用ANSYS的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外形优化，寻找物体对材料的最佳利用。

7、 8、

可实现多场祸合功能。ANSYS可以实现多物理场祸合分析，研究各物理提供与其它程序接口。ANSYS提供与大多数CAD软件及有限元分析软件

场间的相互影响。

的接口程序，可实现数据共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Algor一FEM、I一DEAS、AutoCAD、SolidworkS、Parasolid等。

9、

良好的用户开发环境。ANSYS提供开放式的结构，使用户可以利用APDL、

UIDL和UPFs对其进行二次开发。

它的软件功能主要包括三个部分:前处理、分析计算和后处理。前处理模块(PREP7)提供了一个强大的实体建模和网格划分工具。ANSYS程序提供了两种实体建模方法:自顶向下和自底向上的设计方法。同时，ANSYS提供便捷高质量的网格划分功能，包括四种划分方法:延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。

分析计算模块，也就是求解模块(SOLUTION)，在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。后处理模块包括通用后处理模块(POSTI)和时间

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布特点。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。

（3）单元阶次

许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时间。

（4）网格质量

网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求。在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。而在结构次要部位，网格质量可适当降低。当模型中存在质量很差的网格(称为畸形网格)时，计算过程将无法进行。

（5）网格分界面和分界点

结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让边界条件来适应网格。常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几何尺寸突变面、分布载荷分界线(点)、集中载荷作用点和位移约束作用点等。

（6）位移协调性

位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间须用多点约束等式或约束单元进行约束处理。

（7）网格布局

当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性(如集中质矩阵对称)。不对称布局会引起一定误差。

（8）节点和单元编号

节点和单元的编号影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。

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因此，在本文中，为了获得准确的计算结果,应合理确定有限元划分方案。若局部的结果偏差比较大,则进行局部修正。本文才有那个自由划分模式，达到比较理想的结果。研究采用的网格划分结果如图3.1.2 、图3.1.3 所示。活塞共用了21047个8 节点的三维六面体单元solid70 来描述,每个节点有1个自由度，节点数为5004个。

图3.1.4

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图3.1.5环槽局部网格划分情况

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第四章 活塞的温度场分析

4.1活塞温度的常规测试方法及原理【44】

内燃机活塞是在气缸中做往复运动,不断接受燃气爆发能量,从而使功率不断输出的重要零件。活塞直接接触高温燃气,顶部表面工作温度高达300～360℃,高温使活塞受热膨胀而在内部产生热变形和热应力,使活塞材料硬度和强度降低。热应力和热变形将影响活塞与缸套摩擦副的正常润滑,造成摩擦力增大、磨损加剧,甚至导致活塞环胶接、活塞与气缸咬合以及拉缸等。而活塞的热应力首先取决于活塞温度和温度梯度的分布,因此对内燃机活塞温度的正确实测,获得精确的活塞传热边界条件和放热系数,从而对活塞进行三维温度场分析,了解活塞的热负荷状态和热应力分布情况,进而为降低热负荷,改善热应力分布和改进设计,提高内燃机的性能与可靠性提供必要的理论依据,具有十分重要的意义。

迄今为止,要实际测试活塞在各个工况下的温度,是比较困难的。目前在活塞温度场的测试中,常规测试方法有易熔合金法、硬度标定法、接触式热电偶测温法等。 4.1.1 易熔合金法

易熔合金法是利用一定成分的合金具有固定熔点这一特性来测量温度的方法。当合金熔化后,表明此零件在嵌入这一合金位置的温度至少已达到该合金的熔点。各种合金的成分和熔点在内燃机试验手册中可以查到。

测试过程中,要求事先用不同合金成分配制成从123～380℃范围内各种熔点的合金,然后在每个测量部位上钻3个相距约4 mm的小孔,预先估计此测量部位可能出现的温度,并在3个孔中嵌入熔点与此相近且依次相邻的3个易熔合金,使其与活塞接触良好,不应有空隙,同时要求易熔合金在熔化时能顺利流脱。当易熔合金都嵌装好后,将活塞装入内燃机,在欲测的工况下运转1 h左右。然后拆开内燃机,取下活塞,观察合金的熔化情况。由未熔化的合金熔点与其最近的熔化了的合金熔点的平均值作为此点的温度。该测量方法的测量精度取决于3个小孔中易熔合金的熔点间隔。

采用易熔合金法测量活塞温度误差较大,只能测出某一个温度范围;测量过程中工作量大,需要配比不同熔点的合金,由于测试中在活塞上钻许多小孔,影响了活塞的温度分布和强度;并且每测量一个工况还需要拆装一次。因此,一般来说在测量的工况不多,而且对活塞温度有一个初步概念的情况下使用该测试方法较好。

叶晓明等在柴油机活塞温度场试验研究及三维有限元分析论文中,就是利用易熔合金法,对CA6100 /125Z型柴油机活塞进行了温度场的测试。并在测试试验所得温度

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的基础上,利用三维有限元计算方法计算了活塞的温度场分布。 4.1.2 硬度标定法(又称硬度塞测法)

某些金属在受热后会产生永久性硬度变化,这种硬度的最后变化取决于它所受的最高温度和在此温度下的延续时间,如果延续时间一定,则可建立温度与硬度的关系曲线,然后按测定的硬度值找出相应的温度。硬度标定法就是利用某些金属所具有的这一特性来测试温度的。

该测试方法要求热塞材料成分均匀,没有硬点和软点,淬火后材料的组织均匀、稳定,硬度高并且在65HRC以上。同时要求材料的硬度随回火温度的升高尽可能成线性关系下降。轴承钢及高碳钢基本能满足上述要求,可用作热塞材料。

安装过程中,预先将热塞材料制成圆柱钉或螺钉,然后将圆柱钉过盈配合嵌入活塞测温部位或将螺钉旋入活塞测温部位。测试过程中,要求内燃机从低负荷低转速逐渐增加,到达要测定工况后,稳定运行2 h; 然后取出活塞上各测点的热塞材料测量硬度,从预先标定的温度与硬度关系曲线中找出相应的温度。该测试方法无需引线以及专用设备,简便易行,而且可以测量活塞多个点的温度,对活塞温度分布和强度的影响不大。如果整个测试过程中,前后热塞材料的硬度都由专人测量,则误差可以控制在±2℃。

于旭东,王政等在车用发动机活塞稳定工况温度测量论文中,利用由35钢经810℃淬火后对其进行2h不同温度的回火处理制成温度记忆螺钉,对一普通型汽油机活塞进行了温度测试,测试结果与利用有限元测试结果比较接近。 4.1.3接触式热电偶测温法

热电偶法是利用两种不同导体或半导体组成热节点的热电效应来测试活塞温度的一种方法,这种方法不仅可靠、精度高、响应快、寿命长,而且可以方便地测试各种工况下的活塞温度。在该测试方法中,热接点要求尽量靠近被测表面,与接触表面热接触良好,热阻抗要小,并且有气密性。当然,热电极除了在热接点处有良好的电接触外,其它地方不应有短路现象。热接点的形成最常见的有压接法和焊接法。

采用该方法测活塞的温度,其信号的引出成为当前一大难题,目前热电偶信号的引出大致可分为连续信号引出和间歇信号引出两种方式。连续信号引出即直接引线法,是将活塞的温度信号在不影响内燃机的正常运行或改变其运行工况的情形下,通过一些信号引出装置将信号引出。而目前对于像活塞这样的往复式运动零件,热电偶信号的连续引出通常采用四连杆机构,操作起来难度大,因此大多采用间歇信号引出装置。常见的间歇信号引出装置有:滑行式接触装置和打击式接触装置等。因间歇信号引出装置所引出的信号是一个脉冲热电势,还需要将这个脉冲热电势经过电容积累器迅速

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累积起来,变为波动很小的稳定电压,然后用高阻抗的电位差计进行测量,同时用光电检流计进行监视。

程前,廖世勇等在小型高速汽油机活塞的计算分析和结构设计论文中,采用镍铬-镍硅铠装热电偶测试方法,测试结果比较理想。李烈兵在采用接触式热电偶测温法测试4135柴油机活塞的温度时,热电偶信号的引出采用了自制的一套四连杆机构装置,整个测试过程比较成功,测试结果比较满意。

4.2 活塞的热负荷

活塞是发动机中工作强度最大的零件之一。它承受很大的机械负荷，包括气体压力、惯性力及由此产生的侧压力，很高的热负荷，很大且不均匀的变形和强烈的腐蚀和磨损。活塞经常出现的故障有:第一环岸断裂，严重时甚至整圈脱落;环槽、销座和裙部的磨损;销座内侧上部出现裂纹以及活塞顶中心被烧蚀等。

热负荷大小的直接标志是活塞的温度和各个部位的温差。热流密度有时也常常被当作活塞热负荷的一种间接指标，因为从活塞的传热过程来看，在相同的结构条件下，局部传热量的增加往往也意味着活塞温度的升高及对应的温差加大。

内燃机受热零件由于气缸内的一个工作循环内四个过程中的温度和压力发生周期性地变化，即受到工作燃气周期性的加热，以及受到被吸入新鲜空气周期性冷却，从而造成零件、壁面发生周期性地温度波动。根据壁面周期性瞬时温度波动理论，活塞顶表面的温度沿活塞顶法线方向以指数函数关系迅速衰减，一般的温度波动层都不超过2mm，不会对整个活塞的温度场产生深刻的影响，因此可以将活塞的温度场近似地认为是稳定温度场。从发动机运行可靠性和耐久性的观点出发，稳定热负荷是发动机设计人员需主要考虑的问题【45】。

在本文中所研究的是YZ4105QF型柴油机。该柴油机活塞采用硅铝合金材料, 其物性参数为: ρ = 2 700kg/m3 ,导热系数λ = 163W / (m2·K) ,比热c = 902 J / ( kg·K) ,弹性模量E = 7 ×1010 Pa,泊松比为0. 32,热线性膨胀系数为2. 32 ×10 - 51 /K。

4.3 活塞热分析边界条件的确定

活塞温度场的计算，要求合理地确定活塞的边界条件。分析活塞的实际运行状况和现在所拥有的实验手段，要完全得到热分析的第一类边界条件或第二边界条件，即使是活塞的边界温度或热流密度也几乎是不可能的，所以不论是理论分析和实验研究都是采用第三类边界条件来分析活塞的温度场。

第三类边界条件在这里是指活塞表面分别与高温燃气和冷却介质之间的对流换

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热系数、高温燃气及冷却介质的平均温度。影响换热系数的因素相当多，要有燃烧方式、气体速度、气体的温度和压力、几何尺寸、不同位置和冷却方式等。由于边界参数的复杂性，测试起来比较困难，通常是按经验的或半经验的公式来决定。 4.3.1燃气对活塞顶部的换热系数和燃气平均温度的确定【22】

活塞与燃气之间的热交换是一个瞬态过程，为了得到活塞的稳定温度场必须采用平均燃气换热系数和平均燃气温度作为第三类边界条件值。采用经典的GEichelberg计算每度曲轴转角对应的燃气换热系数β:

式中:K。表示修正系数，其值是常数，等于7.799

Cm表示活塞平均速度，单位是m/s Pg表示燃气瞬时压力，单位是MPa Tg燃气瞬时温度，单位是K

在一个循环中，燃气对活塞顶的平均放热系数β均值求得:

同理，可以求得在一个循环内综合平均燃气温度:

从以上四式可以看出，为了得到活塞顶与燃气的平均换热系数，必须要道发动机运转时每度曲轴转角对应的燃气压力值和温度值。本文采用大连柴油机厂提供的示功图，瞬时温度值是用Fire软件计算得到的，然后由上述公式计算得到了每度曲轴转角对应的燃气与活塞顶的瞬时换热系数。最终可确定活塞顶的平均燃气温度和平均换热系数。

4.3.2火力岸、活塞环区和裙部换热系数的确定

缸套与活塞之间隔着活塞环、机油油膜和气体，热传递过程采用多层平传热模型(见图4.1)，并按第3类边界条件处理。等效换热系数的算式为!侧:

式中:ej分别表示气膜、油膜、活塞环、缸套的厚度，入aw表示缸套和冷却水之间的换热系数，其值由下式确定:

gm，可以用一个循环内的积分平

i

为对应的导热系数。

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式中: Gv表示冷却水流量，单位是ms/s

A表示缸套水冷腔平均截面积

图4.1 多层平面传热模型

图4.2 活塞环传热计算结构参数图

4.3.3内腔换热系数的确定

活塞内腔换热系数的变化不如活塞顶的换热系数变化大，幅值也较活塞顶部的换热系数要小得多，这是因为活塞内腔不与高温燃气接触，一般是通过曲轴箱内的气体向外传递热量，曲轴箱内的气体温度比较稳定，温度不高也不可能过高，这是因为当曲轴箱内的气体温度过高时，会使曲轴箱内的润滑油变稀而失去润滑作用。

式中:T1、T2和Toi，分别活塞顶温度、活塞内腔底部温度和曲轴箱气体温度;k和

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δ分别表示活塞的导热系数和活塞顶厚度。活塞内腔表面与曲轴箱油雾的换热系数β

oi

在60-350W/m2oC之间，自上而下逐段减小。 4，冷却油腔换热系数的确定

冷却油腔与冷却液的换热系数β可用以下公式确定:

式中:ReB，表示振荡雷诺数

ωB表示冷却液振荡速度，单位是m/s H表示冷却油腔截面平均高度，单位是m De表示冷却油腔截面的当量直径，单位是m v表示冷却液的运动粘度，单位是mz/s λ表示冷却液的导热系数，单位是w/m.℃ 则：

通过上述公式可以得到活塞各个部位的换热系数，用有限元分析软件进行温度场求解，然后用一些特征点的实测温度与计算温度对比，再修正和调节边界条件重新进行温度场求解，再与实测值对比，如此反复进行，直到计算的温度分布中一些特征点的温度值与实测值一致为止。

确定这种换热边界条件的困难在于很难找到一个准确的计算活塞和周围介质之间的换热系数的通用公式,所以在确定边界条件时,应根据冷却油温度、流速、润滑油温度以及由示功图计算出的燃气温度等,通过经验、半经验的公式计算活塞顶部或燃气的热交换系数,活塞环区、活塞裙部外侧以及活塞内侧腔的当量热交换系数。这些经验的、半经验的公式确定的传热边界条件与实际情况可能有较大差别,因此还必需通过对比计算的结果与试验所得的活塞上对应点的结果,不断修正边界条件,使最终计算结果与实测结果符合的更好,从而提高计算的准确性和精确度,同时也为进一步的热分析提供较为精确的边界条件。

本文根据实测活塞温度值对温度边界条件进行了修正, 取为在燃烧阶段活塞顶面的燃气温度高达2 500～2 600 K,综合考虑燃气的平均温度为650 ℃;燃气的当量

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换热系数为489W / (m2·K) 。最终计算确定各个面得热交换系数和环境温度分别为: 活塞部位 活塞顶部 火力岸 其它环岸 环槽上下面 环槽底面 裙部 活塞销孔火力岸 内油道 内腔下部 内腔中部 内腔上部 环境温度（℃） 650 180 180 160 180 140 140 90 90 90 90 表4.3.3

边界换热系数（W/m2·K） 489 90 250 380 270 300 270 370 300 390 450 4.4 活塞温度场模拟分析和结果

建立模型及确定边界条件后,即可在有限元分析软件中进行稳态热分析以求得活塞的温度场分布。

但是，在进行分析的过程中，必须要取到活塞的每一个面，也就是说对活塞的每一个面所处的部位的环境温度以及它的边界换热系数都要予以定义。由于在活塞具有众多的面，因此，为了进行正确的选取，作者建议直接输入各个面得编号进行选取，当然，这必须要对每个编号所对应的面要非常的熟悉，作者现将活塞的各个部分所对应的编号列表如下，以作参考： 活塞部位 活塞顶部 火力岸 其它环岸 环槽上下面 环槽底面 裙部 活塞销孔面 内油道面 内腔下部面 25

各个面的编号 4，5，6，7，8，15 9 13，17，24 10，12，14，16，18，40 2，11，19 25 23 20 26，27，28，29，30，31

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内腔中部面 内腔上部面 表4.4

22，32，34，35，39 21，33，37，38 本活塞的有限元温度场的运用ANSYS分析软件的分析操作过程如下：

（1）定义分析文件名：选择Utility Menu>File>Change Jobname，在弹出的对话框中输入huosaiyouxianyuanfenxi，然后点击OK。

（2）定义单元类型选择：选择

Main Menu>Preprocesor>Element

Type>Add/Edit/Delete，在弹出的对话框中选择Thermal Solid、Brick 8node 70,8节点三维六面体单元，然后点击OK，然后大家单元增添对话框Close，关闭单元增添对话框。

（3） 定义材料属性 1，

定义活塞的热导率：选择Main Menu>Preprocessor>Material

Props>Material Mode，点击对话框右侧的Thermal>Conductivity>Isotropic，在弹出对话框的热导率KXX中输入163，然后点击OK

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2，

定义材料密度比热容:选择材料属性定义对话框右侧的

Thermal>Specific Heat，在弹出图示的材料比热容定义对话框。在比热容C中输入902，然后点击OK。

3，

定义材料密度：选择Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material

Models，在弹出的对话框中点击对话框右侧的Thermal，点击Density，弹出材料密度定义对话框如图所示。在框中输入2700，然后点击OK。

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（4）建立几何模型：选择Utility Menu>File>Import>IGES，点击Browse寻找存在电脑中以前有UG画的活塞模型，将其导入。导入图如下图所示：

（5）划分单元：选择Prepercessor>Meshing>Mesh>Volumes>Free，选择Pick All。

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（6）施加对流换热载荷：选择Utility Menu>Plot>Ares，选择Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Thermal>Convection>On Areas，选择List of Items，运用输入编号来选择不同的面，根据上文列表4.33所示的环境温度和边界换热系数，对各个不同的的面施加特定的载荷，各个面所对应的编号如上文所列表4.4示中提到的各个编号所对应的活塞的部位，施加结果如下图所示:

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（7）施加初始温度:选择Main

Menu>Solution>Define

Loads>Apply>Thermal>Temperature>Uniform temperature，弹出所所示的初始温度施加对话框，在TUNIF中输入25，然后点击OK。

（8）设置求解选项：选择Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，在弹出的对话框中选择Steady-State，然后点击OK。

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（9）温度偏移量的设置:选择Main Menu>Solution>Analysis Options，弹出图所示的温度偏移设置对话框。在TOFFST中输入273.

（10） 输出控制：选择Main Menu>Solution>Sol’n Controls，在弹出的对话框的Time at end of loadstep中输入1，其他接受默认设置，然后点击OK.

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（11） 存盘：选择Utility Menu>Select>Everything，然后点击ANSYS Toolbar SAVE_DB

（12） 求解 选择Main Menu>Solution>Solve>Current LS，进行计算。当显示下图是，则表示已经完成了。

（13） 进行后处理，显示活塞的温度场分布云图,选择Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu,在弹出的对话框中，选择DOF solution和Temperature TEMP，然后点击OK。活塞的味道分布云图如下图所示：

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选择Utility Menu>PlotCtrls>Style>Symmetry Expansion>2D Axi-Symmetic,弹出下图所示的周堆成扩展显示控制对话框。在Select expansion amount中选择1/4expansion，然后点击OK。活塞的三维扩展扩展温度分布图如下图：

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第五章 结论与展望

5.1学习过程心得简介和全文总结：

5.1.1学习心得

当学生这个的时候，心中已有很多的欣慰，回往以前的付出与辛苦，能有这样的一个结果，都是快乐的。在做这个论文之前，关于有限元原理以及它的分析软件ANSYS，学生闻所未闻。但是通过几个月的学习与探索，学生通过找恰当的书，找相关的一起努力的同学，在网上找相关的资料与信息，并通过老师的指导等各种信息与知识的渠道，最终自学成功，修成正果，并成功做出了活塞的三维有限元的温度场的分析，实现了从零到比较熟悉的进步！

遥想几月前，学生刚接到活塞有限元分析的有关任务时，由于对有限元及其软件以前一无所知，并且由于万事开头难的道理，那种迷茫和困惑之情自今隐隐可触。学生首先做到的是到图书馆找大量的有关有限元分析和ANSYS软件学习方面的书籍予以学习，要努力弄明白自己需要一个什么样的学习步骤去完成的。在这一过程中，学生走过了不少的弯路，看了不少的空洞无实很不形象很难理解的烂书，最后，学生通过一个学长的介绍以及从图书馆网站光盘下载地方的搜寻，终于找到了一本有光盘，有视频，有源文件的《ANSYS10.0有限元分析自学手册》的书籍，经过了近二十多天的学习，学生已将此书全部看完，做完了上面的所有例子（不是活塞的），并给以较好的理解。通过这本书的学习，学生已能清楚知道了ANSYS有限元分析所需的过程，以及每一步所代表的意义，能够较为熟练的操作ANSYS软件，并了解到了ANSYS可以进行多种分析，结构静力学分析，接触分析，模态分析和热分析等，在这些不同的分析中，它们还是有很大的独立性的。为以后进一步的学习打下非常重要的基础。

在主要进行学习《ANSYS10.0有限元分析自学手册》的时候，学生坚持不间断的从中国知网，维普等网站去阅读关于活塞ANSYS有限元分析的有关报刊、书籍、论文，积累活塞有限元分析所需知识和思路，明白了活塞到底需要哪些分析，这些不同的分析活塞所需的边界条件和载荷又是怎样的。为以后进行活塞的热分析的操作和本论文的写作积累了很多的经验。

一个偶然的机会，让我结识了一位我们学校机械学院的所ANSYS有限元焊接分析的同学，通过向他学习有关有限元热分析的相关知识，学生决定要对自己的任务

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YZ4105QF柴油机活塞进行温度场方面的分析。以后，学生就得找专门进行热力学有限元分析的书籍，进行专门的热分析的学习。经过突破重重问题和难关，YZ4105QF柴油机活塞温度场分析图最终得以展现。

通过本次论文的学习，学生已经弄够对ANSYS软件进行熟练的操作，并深入了解了有关有限元分析的相关知识，通过不断与问题的搏斗，增加些自己的自学能力，增强了自己坚持不懈的毅力，通过学习ANSYX有限元方面的知识，为以后在机械设计与理论专业的研究生深造打下了良好的基础。

5.1.2全文总结：

在本文中，学生首先对活塞有限元的研究历史背景和研究意义予以叙述，并对关于有限元分析方法的发展现状以及活塞有限元发现的发展作以介绍，点出了对活塞进行有限元研究的必要性。学生通过阅读学习关于有限元热分析的有关理论知识，在第二章介绍了有限元热分析的相关理论知识，包括有限元法的简介，活塞有限元热分析的理论基础和有关ANSYS有限元软件的介绍。通过这些理论知识，对以后的实际操作有着重要的指导作用。第三章是有关活塞模型建立的理论知识，学生是通过向一名我校机械学院的学生学习UG软件对活塞进行建模，凭借着模型简化的理论知识做依据，做出了活塞的1/4，以简化分析过程，降低对电脑内存的要求。最后以.igs格式予以保存，在后面的温度场分析中进行导入。第四章为全文的重点。首先要对内燃机活塞温度的正确实测,获得精确的活塞传热边界条件和放热系数，因此在本章首先介绍了活塞温度的常规测试方法及原理。紧接着，学生在本论文中对活塞所受到的热负荷和热分析边界条件进行确定，为以后在施加热负荷和边界条件打下先基条件。最后，则到了全文的关键部分，开始对活塞进行温度场的分析。在本部分中，对不同的面施加特定的载荷是难点，为了更好的取到特定的面，最好要清楚每个面所对应的编号。学生在本论文中已详细介绍活塞ANSYS温度场的发现步骤，并将活塞每一部分所对应的免得编号予以列出，最后得出了活塞的温度场的图形。

本论文采用有限元方法,应用UG及ANSYS软件,进行三维温度场模拟分析计算,通过上图，可得到结论如下:

1，本文建立了该型活塞的三维热分析模型并借助于有限元分析软件ANSYS计算分析了活塞的热负荷,得到了与测量结果相吻合的三维温度场和符合实际工作状况的传热边界条件. 为进一步进行柴油机活塞的结构改进和优化设计提供了有效的依据.

2, 活塞的在活塞顶面燃烧室的边缘位置有较高的温度,这要求燃烧室边缘必须有合适的倒圆角,以防止热应力集中和烧蚀等现象发生。

3，活塞环区的温度对于发动机的可靠性是极为重要的,环区温度过高,将使润滑油变质甚至碳化,造成活塞环粘结,失去活动性,使环槽迅速磨损、变形,严重时将造成发动机气缸套擦伤,甚至拉缸。因此,如何降低环槽区的温度,特别是第一环槽的温度,

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成为内燃机活塞设计的一个关键问题.

4，从总体上考虑,活塞的火力岸区域是受热最为严重的地方,所以要充分考虑活塞的材质,提高活塞的抗热性,以防活塞顶部发生热变形。

5，活塞的轴向温差大约在400℃,而且沿轴向的分布是非线性的,所以在设计活塞时,要考虑活塞在受热时产生的轴向非线性热变形。

6，迄今为止,如何精确确定活塞传热边界件仍然是一个值得研究的课题. 确定边界条件的误差在计算本身的误差可以省略的情况下,可由计算结果和实测值的比较来评价. 因此从某种意义上可以认为计算活塞温度场的同时,提供了一种探求活塞传热边界条件的方法,得到的最终传热边界条件对相似类型的活塞设计和优化也具有指导意义.

5.1 结果介绍与改进方案的确定：

根据本发动机的实际情况,采取以下措施降低各处工作温度:

1. 在活塞内腔顶部增加内冷油道,利用润滑油在油道中的振荡冷却活塞头部,降低热负荷。

2. 改用新结构冷却喷嘴,控制冷却油油束落点,缩短冷却喷嘴与活塞内冷油道进油口之间的距离,提高油束冷却效率。

3. 重新进行增压系统和供油系统的匹配,进一步提高充入气缸的新鲜空降低增压器压气机出口温度,改善供油特性,降低缸内燃烧温度。

4. 减小燃烧室缩口,加大活塞燃烧室喉口过度圆角,降低燃烧室喉口温度。 5. 增加燃烧室容积,减小压缩比,降低缸内燃烧温度。

5.3 今后工作的展望

活塞组的热分析过程中，稳态传热的方法因计算简便得到了广泛的应用。与稳态方法相比，瞬态的热传导分析具有更高的可信度，也与实际更为贴近。在瞬态研究中，实际工况下的每循环中，由于活塞的运动，活塞的有限元计算网格是随时变化的，即对应每个时间步长必须生成新的有限元网格。这就必须要求划分网格过程中，能够随着时间的变化，自动生成新的有限元网格;而且对应每个边界条件都得做一次有限元分析，这对计算机和软件要求都很高。同时，瞬态变化的热边界条件恰恰又是最难应付的问题。故迄今为止此类研究在国内还是以简化模型为基础，通过相应的经验公式拟和，使用稳态传热来研究瞬态问题。

虽然瞬态研究还面临着许多问题，但其突出的指导价值将会吸引更多的研究人员加入此类课题的研究。相信随着科学技术的发展和新的计算工具的出现，各类问题将

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会被逐个解决，那时内燃机缸内部件的研究将会进入一个崭新的阶段。

因此，进行活塞的瞬态分析将成为活塞有限元分析的发展趋势，它将更为精确的分析出活塞热分析的各项数据。

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致 谢

在论文的选题、开题到撰写的整个过程中，我得到了导师王银山副教授的悉心指导，因此才能够按时顺利完成本论文。在王老师的帮助下，我不但锻炼了自己学习研究方面的能力，同时导师严谨求实的治学态度，求真务实的工作作风，都给我极大的帮助，在此谨向导师致以衷心的感激。导师对我的帮助将使我受益终身。

一项工作总是在不断积累的过程中发展和成熟的，在此也要感谢曾经为本课题前期工作做出贡献的人们。

感谢老师、同学、家人的关心和支持，我所取得的每一点成绩都包含着你们的心血，在此向你们表达我最真心的祝愿。

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致 谢

在论文的选题、开题到撰写的整个过程中，我得到了导师王银山副教授的悉心指导，因此才能够按时顺利完成本论文。在王老师的帮助下，我不但锻炼了自己学习研究方面的能力，同时导师严谨求实的治学态度，求真务实的工作作风，都给我极大的帮助，在此谨向导师致以衷心的感激。导师对我的帮助将使我受益终身。

一项工作总是在不断积累的过程中发展和成熟的，在此也要感谢曾经为本课题前期工作做出贡献的人们。

感谢老师、同学、家人的关心和支持，我所取得的每一点成绩都包含着你们的心血，在此向你们表达我最真心的祝愿。

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