基于ANSYS船用柴油機氣缸體耦合場的有限元分析★

宋 博 楊浩洋

(1．廣州航海學院船舶與海洋工程學院,廣東 廣州 510725; 2.廣州中船文沖船塢有限公司,廣東 廣州 510000)

1 概述

柴油機通過活塞的往復運動以帶動其他部件運作來提供動力，活塞與氣缸套不斷摩擦產生大量熱量，造成氣缸壁內工作環境十分惡劣，而氣缸體承載著氣缸套，這些熱量也將影響氣缸體，進而產生無法彌補的變形。許多柴油機事故中，缸體拉缸，變形，開裂的原因就在于氣缸壁內高溫惡劣環境。所以有必要進行氣缸體溫度場研究分析，總結氣缸體的承受溫度，熱應力范圍以及熱變形。

本文以6S60ME柴油機氣缸體為研究對象，通過ANSYS有限元對柴油機氣缸體的溫度場和變形進行分析計算，并將結果導入熱應力分析，為缸體設計提供科學依據。

2 溫度場有限元分析

通過圖紙資料得出氣缸體主要物理數據，并用Pro/E軟件建模，將幾何模型倒入ANSYS軟件。

2.1 邊界條件的確定

氣缸體各部分邊界條件的確定包括氣缸壁內，冷卻水套，機體外壁各部位的熱邊界條件，即各部位上的熱對流系數以及對應的環境溫度。另外，由于氣缸壁內的熱交換方式是以熱輻射為主，

所以燃氣平均溫度也需要一同分析。在確定傳熱邊界條件時，考慮到氣缸壁面上熱量的來源[1]：

1)燃氣的熱對流、熱輻射直接傳入壁內。

2)活塞側面燃氣與氣缸壁的熱量傳導。

由于活塞在氣缸壁內往復運動使氣缸內燃氣與氣缸壁的接觸時間不一樣，靠近氣缸蓋上端的氣缸壁與燃氣接觸的時間比接觸氣缸壁底部的時間長，因此，氣缸上下表面的熱邊界條件是不同的。本文將氣缸套內壁面分為四部分，見圖1，1區為活塞處于上止點時，活塞頂到氣缸套頂部的距離；2區為上下止點中部到上止點的距離；3區為上下止點中部到下止點的距離；4區為下止點到氣缸套底部距離[2]。

氣缸套冷卻水換熱系數取平均值為3 000 W/(m2·K)，冷卻水溫度取平均溫度值為309 K。氣缸體外壁與外界空氣直接接觸，運行時壁面溫度即周圍空氣溫度，所以外壁面平均溫度為320 K，換熱系數為60 W/(m2·K)。根據技術資料，內表面平均溫度為400 K，換熱系數為200 W/(m2·K)。在輸入邊界條件后進行求解，得到氣缸體的溫度場分布云圖。

2.2 有限元溫度場分析

由有限元分析得圖2：在氣缸內，氣缸溫度隨軸線高度方向往底部降低，最高溫度出現在氣缸頂部位置，約為550 K,這是因為氣缸的頂部與高溫燃氣有直接接觸，熱量的傳入最高，而在氣缸底部，由于有冷卻水流動帶走熱量，同時沒有接觸燃氣，熱量主要來源是導熱，所以溫度最低，約為309 K。而在兩個相對的氣缸內壁面區域出現高溫且溫度梯度較大，約在420 K以上，這是由于這些區域要承受兩個氣缸的燃氣傳熱同時又處于冷卻死區，冷卻液無法進入該區域帶走熱量，只能通過氣缸間的缸體部分與外界環境直接換熱。綜上所述，氣缸頂到氣缸底，氣缸內壁面到外壁面，溫度呈逐漸下降的趨勢。通過上述分析結果可知，氣缸內的最高溫度約為250 ℃，根據合金鑄鐵材料的工作特性，是在允許的工作溫度300 ℃范圍內；而缸體的最高溫度約為200 ℃，對于Nimonic80A合金材料來說，其最高的工作溫度應低于760 ℃，所以缸體與氣缸在正常工況下是不會產生熱失效，所以該氣缸體滿足熱強度要求。

3 熱應力有限元分析

在上述計算中，我們已經得到了缸體與氣缸的溫度場的分布結果，我們只需要把計算結果導入結構分析即可得到氣缸體的熱應力的分析。將溫度場單元轉化為結構場單元[3]，定義材料熱膨脹系數1.1e-5，得氣缸熱應力圖如圖3所示。

缸體的熱應力變化不大，氣缸最大熱應力在于高溫燃氣中，該區域屬于冷卻死區，冷卻液無法進入帶走熱量使熱量積聚產生大量應力，而該部位的往下部分包裹著冷卻水進行降溫，上下溫差

巨大令冷熱交接部位產生大量應力；同時該結構的實體結構中并不是如三維建模中那樣平整均勻的，而是有很多凹槽與拐角，在工作時，這個部位會產生應力集中現象。這些高應力區域出現在氣缸內壁面，是因為區域溫度高，都有向外膨脹的趨勢。熱應力在氣缸上有延軸線往下從內到外下降趨勢。而缸體部分的熱應力均較小，這是由于缸體與外界環境的接觸面積廣，散熱良好令缸體溫度比較恒定，不存在冷熱交替區域，所以缸體結構產生的熱應力不大。

根據上述分析可得：氣缸的最大熱應力約為120 MPa，而缸體絕大部分熱應力都低于42 MPa。本氣缸的合金鑄鐵材料抗壓強度為270 MPa，而缸體采用的Nimonic80A合金的材料抗壓強度為700 MPa，在該正常工況下，缸體與氣缸受到的應力遠小于材料強度，故6S60ME柴油機氣缸體的強度滿足要求。

4 結語

6S60ME船用柴油機氣缸體在缸體上溫差不大，溫度分布較平均，主要溫差大的區域在于氣缸套上，最高溫分布在氣缸上部和氣缸與缸體連接處的凸臺以及密封墊圈處；由于氣缸上部分支承處于下部分冷卻水套的交界處溫差大和結構的原因，在此處容易發生大量應力集中現象，所以最大熱應力應變處出現在氣缸上部分與下部分交界處部位；在對氣缸體進行自由網絡劃分時，劃分的精度會影響溫度場與熱變形分析結果精確度，通過測試及不同精度等級，最后選擇精度等級為3的網絡劃分對氣缸體網絡進行劃分最為合理，保證了劃分速度與分析精度。

本文比較詳細地對6S60ME柴油機氣缸體溫度場進行研究分析，對氣缸體溫度場分析具有一定的意義，為氣缸體溫度場方面的研究和生產設計優化提供了一定的借鑒。