新型柴油機活塞參數化熱分析?

孟繼祖，毛虎平，張志香，馮耀南

（中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

目前各國對柴油機的強化向HPD方向發展，國內車用柴油發動機的爆發壓力設計已經達到18 MPa［1］。對于鋁合金活塞，無論采用什么強化措施，還是不能令人滿意，特別是熱疲勞方面。為解決此問題，工程師們正在大力研發柴油機新型整體式全鋼活塞，與普通的鑄造鋁合金活塞相比，其高溫力學性能好、線膨脹系數小、配缸間隙小（僅為傳統鋁活塞的一半）、耐磨性能好、剛度高、使用壽命長。但是整體式鋼活塞的重量相對于鋁活塞偏大，活塞表面溫度也相對偏高。第一環槽溫度、活塞最高溫度和熱應力是評定活塞熱狀態的依據，特別是第一環槽溫度，它不僅影響材料強度、耐磨性和密封性，而且對潤滑油性能等有著極大的影響［2］。因此，設計整體全鋼活塞的關鍵是減小活塞重量和減少活塞問題。

1 整體全鋼活塞的設計

從燃燒和整機性能的角度考慮，將燃燒室設計成ω形；根據頂部應力、剛度和散熱要求來決定活塞頂厚度，將活塞設計成二氣環一油環的三環結構；根據活塞的質量要求，采用薄壁大冷卻油腔結構，活塞銷孔設計考慮了銷的彎曲橢圓變形；為減輕活塞組的重量，銷座寬度設計的較小，而且采用上窄下寬的結構。鋼活塞幾何模型見圖1，其中，鋼活塞重1．79kg，活塞銷重0．78kg。同類型的整體鍛造彈簧鋼片式活塞重1．99 kg，活塞銷重0．69kg。本鋼活塞比整體鍛造彈簧鋼片式活塞減輕了4．28%。

2 整體全鋼活塞參數化熱負荷計算

2．1 活塞幾何模型參數化

取活塞的1／4模型作為計算模型。由于活塞幾何結構的復雜性，在ANSYS中直接建模難度非常大，甚至是不可能的，因此在Pro／E中建立活塞不需要參數化的部分，并保存為IGES格式文件，然后導入ANSYS中進行幾何修復，利用所有面建立活塞幾何體。將幾何模型的尺寸縮放到需要的尺寸來保持單位的一致性，再將需要參數化的幾何部分表達為參數的函數，采用人工控制編號的方法建立面及體幾何對象，并配合布爾運算、復制、移動以及鏡像等進行操作處理，建立完全參數化的幾何模型，如圖2所示。通過改變11個參數，即改變xi（i＝1，2，…，5）和rj（j＝1，2，…，6）值，可得到不同的活塞幾何體。

圖1 鋼活塞幾何模型

2．2 活塞有限元網格

考慮到活塞幾何體的復雜性，采用自由網格劃分，應用線上單元密度控制、面上單元密度控制以及總體單元尺寸控制密度。網格采用四面體網格，在形狀復雜和溫度變化劇烈的地方網格小一些，而在其余地方網格適當大一些，這樣既能節約資源，又能保證計算精度，網格劃分后節點數為56 032，單元個數為31 089。活塞材料為合金結構鋼，密度為7 850kg／m3，導熱系數為41．87 W·（mK）－1，比熱容為C＝461J·（kg·K）－1。將1／4模型對稱擴展，得到的活塞三維有限元網格如圖3所示。

圖2 活塞三維幾何參數化模型

圖3 活塞三維有限元網格

2．3 活塞傳熱邊界條件確定

2．3．1 活塞頂部傳熱邊界條件

應用AVL－BOOST計算得到柴油機標定工況穩定工作時燃氣與活塞頂部瞬時換熱系數和瞬時燃氣溫度，見圖4。

圖4 燃氣與活塞頂部瞬時換熱系數和燃氣溫度

本文按活塞頂部邊界條件進行分區計算，活塞頂部傳熱系數αr的計算公式為［3］：

其中：αm為燃氣與活塞頂部平均換熱系數；N為活塞中心到達燃氣與活塞頂部最大換熱系數處的距離，本文N＝33．5mm。αr是活塞任意一點半徑的函數，在ANSYS中，以函數的形式加載，使得活塞熱分析的邊界條件更加準確。

2．3．2 活塞內腔和冷卻油腔傳熱邊界條件［4］

活塞內腔表面與曲軸箱油霧的換熱系數αi計算公式為：

其中：T1、T2、Ti分別為活塞頂溫度、活塞內腔底部溫度和曲軸箱氣體溫度；k、σ分別為活塞的導熱系數和活塞頂厚度。

活塞冷卻油腔與冷卻液的換熱系數αc的計算公式為：

其中：De為冷卻油腔截面當量直徑；l為潤滑油的導熱系數；H為冷卻油腔截面平均高度；Pr為瞬時氣體爆發壓力；為油冷卻速度為曲軸轉速，γ為冷卻油的動力黏性系數。

2．3．3 活塞側面傳熱邊界條件

活塞側面區域與冷卻水的綜合換熱系數計算公式為：

其中：a為活塞與氣缸套之間的間隙；b為氣缸套壁厚；c為活塞環與環槽之間的間隙；λ1、λ2、λ3分別為活塞環、氣缸壁和間隙內油或氣的導熱系數；λw為氣缸壁與水之間的換熱系數。

2．4 計算結果與分析

2．4．1 活塞溫度場分析

經分析獲得的活塞溫度場見圖5。活塞溫度從頭部到裙部逐漸變低，最高溫度為428．42℃，位于燃燒室的邊緣；最低溫度為100．092℃，在活塞裙部，第一環槽最高溫度為203．34℃，滿足設計要求。

圖5 活塞溫度場

2．4．2 活塞參數變化對關鍵點溫度的影響

將活塞有限元熱分析參數化，并通過反復改變設計變量來觀察其對活塞溫度的影響。本文以火力岸高度和油腔寬度為設計變量，設火力岸高度從7．5mm變化為8．9mm，步長為0．2mm；油腔寬度從15．4 mm變化為17．8mm，步長為0．2mm。火力岸高度變化對活塞溫度的影響如圖6所示，油腔寬度變化對活塞溫度的影響如圖7所示。

從圖6、圖7可知，火力岸高度與活塞最高溫度同向變化，而與第一環槽處的最高溫度反向變化；油腔寬度與活塞最高溫度、第一環槽處的最高溫度均呈反向變化；火力岸高度從7．5mm變為8．9mm，第一環槽處的最高溫度下降了8．022℃，而活塞最高溫度增加了1．804℃；油腔寬度從15．4mm變為17．8mm，第一環槽處的最高溫度下降了14．951℃，而活塞最高溫度下降了3．228℃。

3 結束語

本文設計了一種薄壁大冷卻油腔鋼結構活塞，質量比同類型的整體鍛造彈簧鋼片式活塞減小4．28%。運用Pro／E軟件，結合ANSYS的參數化設計語言APDL，建立了鋼活塞參數化幾何模型，完成了參數化加載和參數化溫度計算，為活塞溫度場的快速計算以及優化提供基礎。應用參數化熱分析，計算了活塞溫度場，并分析了新型柴油機鋼活塞火力岸高度、油腔寬度對活塞溫度場的影響，為活塞及其組件優化設計提 供支持。

圖6 火力岸高度對活塞溫度的影響

圖7 油腔寬度對活塞溫度的影響

［1］ 夏飛．新型全鋼活塞熱負荷分析［J］．現代車用動力，2009，135（3）：36－39．

［2］ 何振鵬．柴油機活塞熱負荷和機械負荷耦合研究［D］．天津：天津大學，2010：8－12．

［3］ 肖永寧，潘克煜，韓國埏．內燃機熱負荷和熱強度［M］．北京：機械工業出版社，1988．

［4］ 何屹．活塞在溫度和機械載荷作用下的有限元分析［D］．大連：大連海事大學，2007：25－32．