发动机活塞温度场分析流程
3、活塞的温度场分析说明
一、某475汽油机活塞温度场分析*由于该活塞的对称性，只建立活塞的1/4模型*安装patran时，如果没有选择全部安装，就可能没有热分析模块，可以自行完成前面的连杆受拉工况的受力分析来替代该练习。
1．新生成一个数据库并命名为mypiston.dbFile/New Database…New Database NameNew Model PreferenceTolerance Default2. 读入用UG建好的曲轴的CAD几何模型单击fileFile----import点击右侧菜单:再点击:Model unitOveride选择:在左侧图框，选择读入的文件选择475piston.xmt_txt，这是用Ug建立的连杆CAD模型，也可以用Pro/E建立）2、选择分析类型，默认的是结构强度分析，改为热分析Preference------Analysis (将analysis type改为thermal)-----Ok3、选择视图，观察活塞，用实体显示。
该曲轴就相当于第一个练习中完成的几何G eometry4、下面划分单元Finite ElementsAction:Object:Type:Elem shapetopologySolid Listt点击5、选择视图，观察活塞单元，用实体显示。
6、创建材料铝硅合金MaterialsAction:Object:Method:Material Name:Thermal conductivity:只需输入导热系数，其他不用管单位制不是国际单位制，而是mm-ton-s单位制7、创建单元属性PropertiesAction:DimensionProperty Set Name:在Imput Properties框中,单击Materials Name数据框。
所有已选的有效的材料特性将出现在Materials Property Sets列表框中。
从列表中选择合适的材料。
在Materials Name数据框中，将出现带前缀“m:”的所选材料的名称。
发动机活塞热分析
发动机活塞热分析施培文,杜爱民(同济大学,上海201804)摘要:活塞作为发动机最主要的受热零件之一,长期工作在恶劣的环境下,承受很高的热负荷,容易形成热疲劳损坏。
如果得到其温度场,便可有目的地进行设计,减小热负荷。
笔者通过有限元软件Hyper Mesh 和ANSY S ,结合试验测得值对活塞进行温度场分析计算,得到三维温度场,为活塞的结构改进和优化提供了重要依据。
关键词:活塞;有限元;温度场;边界条件中图分类号:TK 401.1 文献标识码:B 文章编号:1000-6494(2006)03-0007-04Thermal Analysis of PistonsSHI Pei -wen ,DU Ai -min(T ongji University ,Shanghai 201804,China )Abstract :Piston is one of the m ost im portant com ponents in a m otor.I ts terrible thermal load always causes fatigue breakdown.With the thermal field we may design the structure of a piston on purpose and reduce its thermal load.The thermal field is calcu 2lated with Ansys and Hyper Mesh.Our thermal experiment helps calculating the 3-dimensional thermal field.By means of that we can optimize the piston and ensure its dependability.K ey w ords :piston ;finite element ;thermal field ;boundary condition 作者简介:施培文(1981-),男,硕士生,主要研究方向为发动机能源与排放控制收稿日期:2005-11-040 前言发动机作为一种热能动力机械,它的运转离不开热的传递,这种热的传递在很大程度上决定了发动机的经济性、可靠性及其它各项重要技术经济指标。
发动机活塞温度场分析流程
文档编号版本发布日期发动机活塞温度场计算分析流程编制：日期：校对：日期：审核：日期：批准：日期：目 录1 参数定义 (3)2 活塞温度场分析流程框图 (3)3 过程实施 (5)3.1 缸内CFD计算 (5)3.2 活塞冷却CFD计算 (6)3.3 映射热边界 (7)3.4 编辑INP文件 (9)3.5 结果处理 (10)致谢 (11)1 参数定义活塞温度场计算所需参数如表1所示。
表1活塞温度场计算参数及所需数模名称数值单位备注随曲轴转角变化，如做缸内CFD 气道入口流量 Kg/s气道入口温度 K随曲轴转角变化，如做缸内CFD随曲轴转角变化，如做缸内CFD 排气出口静压 Bar随曲轴转角变化，如做缸内CFD 排气出口温度 K其它缸内计算参数参考燃烧分析流程其它内腔CFD参数参考内腔分析流程活塞数模热传导系数 W/m.K2 活塞温度场分析流程框图发动机“缸内工质-固体-冷却流”共轭传热机理如图2.1所示，其原理如式（2.1）所示。
基于此，活塞温度场分析流程框图如图2.2所示，并且可以进行多次热固耦合，直至精度满足要求。
图2.3形象地说明了活塞温度场计算流程。
图2.1 发动机共轭传热原理示意及所用软件()conv condconv f w wfT K q h T T n∂==−∂（2.1）图2.2 发动机活塞温度场分析流程框图图2.3 发动机活塞温度场分析流程示意3 过程实施3.1 缸内CFD计算缸内CFD计算包括湍流、喷雾、燃烧甚至是排放等众多物理化学过程，是一个高瞬态多物理场过程，其几何空间由进排气道、缸套、活塞顶组成。
某缸内CFD内网格如图3.1所示。
缸内CFD计算边界条件如图3.2、3.3、3.4所示，其中图3.2为进气道入口流量和温度，通过GT-Power一维气体动力学计算得来，图3.3为排气道出口静压，图3.4为各壁面温度。
对于缸内CFD，还需要对湍流、喷雾、燃烧、排放（可选）等各模型进行设置，参见《发动机（柴油机）燃烧分析流程》，这里不再赘述。
柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析
柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析柴油机是一种集高效、经济、环保和实用性特性于一身的发动机。
在柴油机的设计过程中，温度场是一个重要的因素，它主要决定了柴油机的效率和寿命的长短。
因此，对柴油机活塞温度场的研究已成为一项重要的研究课题。
本文将从热传导的角度出发，结合实验和有限元分析的方法，对柴油机活塞温度场的研究进行详细的介绍。
首先，从实验方面来讨论柴油机活塞温度场。
首先，在柴油机活塞温度场实验中，使用了采用温度传感器组成的测温系统来进行温度场的实测。
该测温系统由温度传感器、电子枪、计算机硬件、软件及测温记录仪组成。
数据采集和采样是在计算机平台上完成的，以得到温度场的实时实测值，最后可以得到温度场的2D或3D图形，便于分析温度场的分布状态。
其次，针对柴油机活塞温度场的实验，研究者可以使用有限元方法来优化柴油机的热传导性能。
有限元方法的基本原理是，将机械结构分割成若干小的有限元单元，并分析各单元的热传导系数，最终确定柴油机活塞温度场的总体特性。
本文采用ANSYS仿真软件作为有限元分析工具，并将热传导方程式建模成有限元，分别计算柴油机活塞中温度场的时空特性，取得其动态温度场的实时模拟值，以深入分析温度场的时变特性。
最后，根据实验和有限元分析的结果，可以得出柴油机活塞温度场分布图，并可以将它与柴油机实际操作中的温度场进行对比，以指导该柴油机的设计优化。
在柴油机活塞温度场研究中，以上针对实验与有限元分析的结合研究，可以更好地理解柴油机活塞温度场的变化规律，最终更好地保证柴油机的发动机性能与寿命的长期可靠性。
总之，柴油机活塞温度场的研究是十分重要的，可以从实验与有限元分析的结合研究方面，更加深入地理解柴油机活塞温度场的变化规律，从而更好地保证柴油机的发动机性能与寿命的长期可靠性。
随着动力技术的发展，柴油机活塞温度场研究将越来越受到研究者们的关注。
研究者们可以继续探索不同燃烧方式下柴油机活塞温度场的变化特性，以指导柴油机的研制与设计。
活塞式压缩机气动温度场分析与优化
活塞式压缩机气动温度场分析与优化活塞式压缩机是工业中常见的一种压缩设备，其主要作用是将气体压缩并提供高压气体。
然而，在活塞式压缩机的运行过程中，会产生大量的热量，导致温度升高，从而影响其性能和寿命。
因此，对活塞式压缩机的气动温度场进行分析与优化是提高其工作效率和可靠性的关键。
首先，我们来分析活塞式压缩机的气动温度场是如何形成的。
在活塞式压缩机中，活塞上下往复运动，通过缸体与曲轴连杆机构相连。
当活塞下行时，气体从进气口进入压缩腔，活塞上行时，气体被压缩并推出到出气口。
在这个过程中，气体不断地被压缩，从而产生大量的热量。
同时，摩擦和传导也会导致部分热量的产生。
因此，活塞式压缩机内部的温度会逐渐升高。
然而，高温会对活塞式压缩机的工作性能和寿命造成不利影响。
首先，高温会使气体密度降低，从而影响压缩机的压缩效果。
其次，高温会引起润滑油的氧化和降解，降低其润滑性能，从而增加了摩擦和磨损。
此外，高温还会导致密封件老化，增加泄漏的可能性。
综上所述，活塞式压缩机的气动温度场分析与优化对于提高工作效率和延长使用寿命至关重要。
为了优化活塞式压缩机的气动温度场，我们可以采取以下措施。
首先，增加冷却系统的效果。
可以在压缩腔和曲轴箱中设置冷却装置，如冷却风扇或冷却液循环装置，以增强热量的散发和降温效果。
此外，选择合适的冷却介质和材料也是关键。
对于某些特定的工况和压缩介质，可以考虑使用高热传导性的材料和高效的冷却介质。
其次，设计合适的气体流动通道。
通过优化活塞和缸体的结构，可以实现气体的快速流动和换热过程。
合理的气体流动通道可以有效地降低气体温度，并减少能量损失。
此外，可以采取分级压缩的方式，在每一级压缩中添加冷却剂，以进一步降低温度。
最后，提高润滑系统的效果。
在活塞式压缩机中，润滑油不仅起到润滑和密封的作用，还能够吸收和带走部分热量。
因此，选用高温下稳定的润滑油，并采取合适的冷却措施，如增加冷却油路和冷却器等，可以有效地控制润滑油的温度。
活塞热分析
活塞热分析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。
柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析
柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析
随着柴油机技术的发展，薄膜强度、尺寸精度、耐热性是柴油机活塞的关键技术。
活
塞的尺寸太大或太厚，会大大降低发动机性能；反之，活塞太薄和太小，活塞很容易损坏。
因此，对柴油机活塞的温度场的研究是提高柴油机效率的重要工作之一。
传统试验方法受制于仪器和材料的限制，往往无法准确地反映内部结构的温度场，因
此建立一种基于有限元分析的研究方法变得尤为重要。
本文提出了基于有限元分析的温度
场研究方法，将柴油机活塞温度场试验与有限元分析相结合，以研究不同参数和模型的温
度分布和温度场变化趋势。
本文首先给出了柴油机活塞的图示和几何尺寸，接着给出了活塞的实际试验参数，包括：外圈直径、内圈直径，等径椭圆孔的长短轴长度均等；活塞的材料为超级钢；同时设
定加热方式，用燃烧于环境的方式代替实际目标发动机实际运行情况来模拟。
进一步，本
文利用有限元分析方法仿真活塞温度场，根据参数计算出温度场不同元件分布的各部分值。
最后，本文通过对实验结果进行讨论，对柴油机活塞的温度场变化进行分析，发现活
塞的各个部分的温度分布和温度场变化趋势，以供今后参考。
经过本文的实验研究，不仅说明了有限元分析在模拟柴油机活塞温度场变化方面具有
良好的效果，还为今后柴油机活塞优化设计提供了重要的研究参考意义。
将有限元热分析
和实验室试验相结合，加深了活塞温度场研究的深度和广度，也提供了一种新的方法来研
究活塞的热性能及内部温度场的变化，为今后的试验提供参考。
发动机活塞温度场、热应力与热变形仿真分析
Ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｅ ｄ Ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ［ Ｊ ］ ． Ａｃ ｔ ａ Ｍｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ｇ ｉ ｃ ａ Ｓ ｉ ｎ ｉ ｃ ａ ， ２ ０ ０ ５ ， １ ８ （ ６ ） ： ７ ５ ６ — ７ ６ ２ ．
［ ８ ］林 叶云 ． 熔体处理对３ ０ ０ ３ 铝合金 高温变 形的流变应力和微观组织 的影响 ［ Ｄ 】 ． 福州 ： 福州大学， ２ ０ ０ ８ ．
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［ ５ 】Ｄａ ｖ ｉ ｓ ． Ａ ｌ ｍ ｉ ｕ ｎ ｍ ｕ ａ ｎ ｄ Ａｌ ｍ ｉ ｕ ｎ ｍ ｕ Ａｌ ｌ ｏ ｙ ｓ ． Ｍｅ ｔ ａ ｌ ｓ Ｐ Ａ Ｒｋ ． Ｏ Ｈ： ＡＳ Ｍ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｌ ， １ ９ ９ ３ ． ２ ０ ０ ． ［ ６ 】Ｃ ＨＥ Ｎ Ｙ ｏ ｎ ｇ ｌ ｕ ， Ｆ Ｕ Ｇａ ｏ ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ， Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｗｅ ｎ ｚ ｈ ｅ ． Ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｍｅ ｌ ｔ － ｒ ｔ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｎ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ａ ｌ ｍ ｉ ｕ ｎ ｍ ｕ ｓ ｈ ｅ ｅ ｔ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ
速率区。
条件下，最大功率耗散率为 ３ ９ ． ２ ８ ％。 热变形组织 Байду номын сангаас的实际观察结果与热加工 图的理论计算结果相吻
合 ，表 明基 于 ＤＭＭ 模 型 的热 加工 图用 于分析 预 测材 料 的 失稳 区 、最佳 加 工 区是 可靠 的 ，可 实现
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1 参数定义 (3)
2 活塞温度场分析流程框图 (3)
3 过程实施 (5)
3.1 缸内CFD计算 (5)
3.2 活塞冷却CFD计算 (6)
3.3 映射热边界 (7)
3.4 编辑INP文件 (9)
3.5 结果处理 (10)
致谢 (11)
1 参数定义
活塞温度场计算所需参数如表1所示。
表1活塞温度场计算参数及所需数模
名称数值单位备注
随曲轴转角变化，如做缸内CFD 气道入口流量 Kg/s
气道入口温度 K
随曲轴转角变化，如做缸内CFD
随曲轴转角变化，如做缸内CFD 排气出口静压 Bar
随曲轴转角变化，如做缸内CFD 排气出口温度 K
其它缸内计算参数参考燃烧分析流程
其它内腔CFD参数参考内腔分析流程
活塞数模
热传导系数 W/m.K
2 活塞温度场分析流程框图
发动机“缸内工质-固体-冷却流”共轭传热机理如图2.1所示，其原理如式（2.1）所示。
基于此，活塞温度场分析流程框图如图2.2所示，并且可以进行多次热固耦合，直至精度满足要求。
图2.3形象地说明了活塞温度场计算流程。
图2.1 发动机共轭传热原理示意及所用软件
()conv cond
conv f w wf
T K q h T T n
∂==−∂
（2.1）
图2.2 发动机活塞温度场分析流程框图
图2.3 发动机活塞温度场分析流程示意
3 过程实施
3.1 缸内CFD计算
缸内CFD计算包括湍流、喷雾、燃烧甚至是排放等众多物理化学过程，是一个高瞬态多物理场过程，其几何空间由进排气道、缸套、活塞顶组成。
某缸内CFD内网格如图3.1所示。
缸内CFD计算边界条件如图3.2、3.3、3.4所示，其中图3.2为进气道入口流量和温度，通过GT-Power一维气体动力学计算得来，图3.3为排气道出口静压，图3.4为各壁面温度。
对于缸内CFD，还需要对湍流、喷雾、燃烧、排放（可选）等各模型进行设置，参见《发动机（柴油机）燃烧分析流程》，这里不再赘述。
图3.1 缸内CFD模型
图3.2 进气道入口流量和温度
图3.3 排气道出口静压
图3.4 各壁面温度示意
3.2 活塞冷却CFD计算
对于活塞内腔及机油冷却油道的热边界条件，有以下几种获取方式：
1) 利用经验公式估算，如图2.2中的公式所示；
2) 通过曲轴箱系统CFD计算得到，其模型如图3.5所示，其中涉及运动边界（动网格）
和多相流（空气和润滑油）；
3) 通过单缸曲轴箱系统CFD计算，其模型如图3.6所示，同样涉及运动边界和多相流。
图3.5整体曲轴箱系统CFD模型
图3.6单缸曲轴箱系统CFD模型
3.3 映射热边界
首先划分活塞网格，可划分为一阶、二阶四面体，也可以划分为六面体，但活塞结构形状较复杂，可利用Hypermesh+Fame的方法进行六面体划分，其过程如图3.7所示。
然后在Hypermesh中把需要映射热边界的表面（顶面和内腔等）提取，如图3.8所示。
并按顺序编排节点和单元编号。
之后，按《发动机排气系统CFD分析流程》3.4.3节中的方法映射热边界条件（第三类边界条件）到有限元表面网格，某活塞顶热边界如图3.9所示。
某活塞内腔热边界如图3.10所示（仅列出典型曲轴转角下的换热系数）。
如若未具备条件进行CFD计算，活塞顶和活塞内腔连同其他表面（外表面和活塞环槽等）
通过经验公式计算，某活塞所有热边界（经验公式计算得来）如图3.11所示。
图3.7 基于Hypermesh+Fame的活塞六面体网格划分过程
图3.8 活塞表面提取（为映射热边界准备）
a）换热系数 b）流体温度
图3.9 某活塞顶热边界
图3.10 某活塞内腔热边界
图3.11 某活塞热边界
3.4 编辑INP文件
若利用有限元软件ABAQUS计算温度场，建议把各个INP（ABAQUS的命令流文件）文件（如各部分网格、MPC定义、热边界条件）镶嵌进全局INP文件里面，这样便于编辑和修改，思路也清晰，也方便处理出现的问题，如图3.12所示。
详见《传热学及其在内燃机上的应用-6(操作实现)》。
然后提交全局INP文件进行计算。
图3.12 INP文件示意
3.5 结果处理
对于活塞管温度场，关注以下几个方面的内容：
1) 最高温度，是否超过材料的许可温度；
2) 温度分布，是否出现过大的温度梯度，为下一步进行热应力计算准备。
图3.13所示为某排气歧管温分布。
图3.13 某活塞温度分布
湖南大学先进动力总成技术研究中心
第 11 页 共 11 页 致谢
本流程的编写得到国家科技支撑计划《乘用车柴油动力系统关键技术的研发和应用》(项目编号: 2009BAG13B00)的资助，在此表示崇高的感谢！。