柴油機(jī)活塞-缸套的瞬態(tài)有限元分析

長期以來，隨著傳熱學(xué)的發(fā)展，對內(nèi)燃機(jī)傳熱的研究也有了長足的進(jìn)步，尤其是對燃燒室的單個零部件(活塞、缸套、氣缸蓋等)溫度場和熱應(yīng)力計算、分析都已趨于成熟。但是這種方法存在著一些缺陷：各個零部件相互獨(dú)立，邊界條件不能耦合，不能很好地從整體反映內(nèi)燃機(jī)的工作狀態(tài)。目前對于內(nèi)燃機(jī)的研究主要是對活塞、氣缸套、氣缸蓋等部件的局部耦合或整體耦合傳熱分析。但是內(nèi)燃機(jī)整機(jī)傳熱過程全模擬設(shè)想的實(shí)施難度太大，它不僅需要對缸內(nèi)工作過程、燃燒室部件傳熱模型有很高的仿真程度，還需要較高的數(shù)值有限元分析技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展水平。尤其是內(nèi)燃機(jī)傳熱中活塞-缸套傳熱仿真更是重點(diǎn)難點(diǎn)。而活塞-缸套傳熱仿真中的難點(diǎn)又在于邊界條件的難以確定和復(fù)雜的加載方式。杭州那泰有限元分析公司在耦合傳熱分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合ANSYS中移動載荷的加載方式，對復(fù)雜的邊界條件加載進(jìn)行了簡化，以期簡化計算程序。
仿真模型中，假設(shè)活塞沿缸套內(nèi)壁只做上下往復(fù)運(yùn)動，忽略其徑向擺動，活塞位置x與曲柄轉(zhuǎn)角ψ(當(dāng)活塞位于缸套頂端時，ψ= 0)之間存在幾何關(guān)系。由活塞和缸套的運(yùn)動關(guān)系計算可得，工作循環(huán)內(nèi)活塞頂面與缸套最上端的距離隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系。
以 4100QBZ 柴油機(jī)為例，進(jìn)行活塞-缸套的三維建模仿真與計算。利用有限元軟件ANSYS建立模型，三維有限元模型的建立應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的簡化(略去圓角、倒角等)。仿真模型中的缸套和活塞為不同材料，對它們分別劃分網(wǎng)格，2種材料的傳熱特性分別如文中所述。
在傳熱模擬計算中，常見的導(dǎo)熱特征邊界條件有：第1類邊界條件—恒定溫度；第2類邊界條件—熱流密度；第3類邊界條件—對流。在活塞-缸套的傳熱模擬計算中主要采用的是第1類邊界條件和第3類邊界條件。
初始條件是由缸內(nèi)當(dāng)量循環(huán)平均燃?xì)鉁囟萒_gm和當(dāng)量循環(huán)平均傳熱系數(shù)σ_gm計算得到的活塞-缸套穩(wěn)態(tài)溫度場決定。缸內(nèi)當(dāng)量循環(huán)平均燃?xì)鉁囟萒_gm和當(dāng)量循環(huán)平均傳熱系數(shù)σ_gm由式公式確定。
缸內(nèi)燃?xì)馀c燃燒室部件的熱交換情況受燃燒室的形狀、發(fā)動機(jī)性能多種因素影響，模擬常常采用一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算。缸內(nèi)燃?xì)鈧?cè)的邊界條件是仿真計算的關(guān)鍵。選用艾歇伯格(Eichelberg)經(jīng)驗(yàn)公式，計算燃?xì)獾乃矔r換熱系數(shù)。
燃?xì)馑矔r壓力P_g可從柴油機(jī)標(biāo)定工況的示功圖直接讀出；柴油機(jī)標(biāo)定工況的燃?xì)馑矔r溫度如圖柴油機(jī)標(biāo)定工況的燃?xì)馑矔r溫度所示，根據(jù)公式推算可得出柴油機(jī)標(biāo)定工況的燃?xì)馑矔r換熱系數(shù)。
采用 Dittus-Boelter 管內(nèi)湍流強(qiáng)制對流傳熱的經(jīng)驗(yàn)公式，計算冷卻水的傳熱系數(shù)，并確定冷卻邊界條件。
目前很少有比較成熟的理論可以解決油束及油腔的換熱問題，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計算。冷卻油換熱條件根據(jù)噴濺冷卻放熱系數(shù)。
缸套頂端和下端與介質(zhì)換熱量較少，接觸面積較小，故可考慮做絕熱處理。缸套外側(cè)有少部分與缸體接觸，形成封閉的循環(huán)冷卻水空間，該接觸面的面積及熱流量較小，對整個傳熱影響不大，在計算中邊界條件根據(jù)接觸熱阻進(jìn)行計算。
由于是對瞬態(tài)狀態(tài)的求解，對于邊界條件加載要求較高。首先在燃?xì)鈧?cè)因?yàn)榛钊?缸套之間的相對運(yùn)動，熱載荷在缸套內(nèi)壁上面積也會隨之發(fā)生改變。采用了ANSYS中移動載荷的加載方式，利用ANSYS中循環(huán)語句，在第一次加載載荷用完后，將之刪除，重新加載新的載荷條件，如此重復(fù)，即可使邊界條件也隨之動態(tài)變化。其次冷卻水側(cè)的邊界條件、潤滑油側(cè)邊界條件、缸套與缸體、缸蓋側(cè)的邊界條件都將以面載荷的形式施加在缸套-活塞模型的相對應(yīng)位置。

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