柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析
基于ANSYS活塞有限元温度场的分析与研究

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。
柴油机缸套三维温度场有限元分析与试验研究

柴油机 Diesel Engine
Vol .28(2006) No.3
结构与减磨
柴油机缸套三维温度场有限元分析与试验研究
夏 倩,杨建国
(武汉理工大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430063 ) 摘 要:建立了柴油 机气缸套数学和几 何模型,确定了合 理的边界条件,利 用 MSC 有限元分析软 件,进行了缸
随着高速化、大功率及增压技术的发展,柴 油机的强化程度不断提高。这一方面促使柴油机 结构更加紧凑,单位功率的重量和体积减少;但 另一方面引起柴油机热负荷增加,使得气缸盖和 气缸套温度增高,润滑条件恶化,气缸套磨损加 剧。如何有效地解决柴油机的热负荷问题,是提 高柴油机受热零部件的可靠性和使用寿命重要的 研究课题。对气缸套传热问题的研究,不仅局限 于改善柴油机工作循环的热效率,从结构设计和 运行可靠性考虑,缸套所传出的热量及其冷却措 施决定了缸套内壁的温度水平和温度场分布,前 者对润滑、磨损、活塞间隙起决定作用;后者决 定了缸套热应力的大小,研究具有重要意义。本 文利用 MSC 有限元软件计算了缸套温度场的分布 情况,分析了缸套的最高温度及相应位置,实测 了柴油机缸套的温度,验证了缸套有限元分析的 正确性,为缸套的设计提供了有益的依据。
2 3 [4]
覆盖,没有受到燃气直接传热。在活塞往复运动 时,气缸体内表面还接受活塞侧面的传热和与气 缸体的摩擦产生的热量。对于行程范围内任一位 置的缸壁内表面,总受热量包含如下三部分:燃 气以对流和辐射方式的传热;燃气通过活塞侧面 传入的热量;活塞与缸壁摩擦传入的热量。 当 S /D ( 行程 / 缸径) 发生变化时,缸体内表面 稳态传热边界条件相对值的分布形态才发生相应 改变。因为当 S /D 增大时,燃气传给活塞、缸盖 的热量减少,即传入气缸体的热量相对增加。 柴油机缸体内表面稳态传热边界条件轴向 高 度上有如下分布规律 [3]: αm ( h) !α n (0 )( 1+k" β) "
柴油机内的传热数值分析

摘
要
摘
要
柴油机的动力性、 经济性和排放特性归根结底取决于发动机内的燃烧与传热过程, 随着柴油机升功率的不断提高,在柴油机研制过程中,柴油机的热负荷日益成为设计 人员必须考虑的关键问题之一。因此,开展柴油机中的传热数值分析研究对于自主开 发和研制新型的发动机有十分重要的意义。 对柴油机内传热过程进行数值分析研究的意义在于预测柴油机的热负荷水平,为 柴油机的热设计提供理论依据。本课题在进行柴油机缸内燃烧模拟时,将 ANSYS 计算 出的活塞顶部、 缸套与燃气接触部分和气缸盖燃烧室表面的平均温度作为 FLUENT 模拟 的边界条件,而进行活塞、缸套和缸盖内温度分布计算时,将缸内燃烧模拟所得的壁 面热流结果作为活塞顶部、缸套与燃气接触部分和缸盖燃烧室表面的传热边界条件, 实行了柴油机缸内传热与活塞、缸套和缸盖温度分布的耦合计算。 本文使用流体分析软件 FLUENT, 对柴油机缸内流动、 燃烧和传热进行了数值模拟, 得出了活塞顶部、缸套与燃气接触部分和缸盖燃烧室表面的瞬时热流密度。将得到的 热流密度模拟结果经过数据处理后,分别作为活塞顶部、缸套与燃气接触部分和缸盖 燃烧室表面的第二类传热边界条件,然后在大型有限元分析软件 ANSYS 中分别对三种 典型工况下 4135G 型柴油机活塞、缸套、缸盖分别进行了温度场有限元分析,得到了 活塞、缸套、缸盖的温度分布和热流分布,并将计算结果与传统的经验半经验公式作 为活塞顶部、缸套与燃气接触部分和缸盖燃烧室表面的边界条件的计算结果分别进行 比较。比较结果表明与传统的经验半经验公式计算结果作为活塞顶部、缸套燃气接触 部分、 和缸盖燃烧室表面的边界条件相比, 将 FLUENT 软件对柴油机缸内传热和流动的 数值模拟结果与分析柴油机受热零件温度分布的有限元软件 ANSYS 相结合,可以更为 准确地模拟活塞、 缸套和缸盖内的温度分布。 以数值模拟值为边界条件的结果为基准, 经验公式边界条件所得的活塞、缸套、缸盖内温度分布的最大相对误差均在最高温度 处,分别约为 3.6%、2.9%、2.6%。误差虽不是很大,但是要较精确地模拟出活塞、 缸套、缸盖的温度分布,最好以数值模拟结果作为活塞顶部、缸套燃气接触部分和缸 盖燃烧室表面的边界条件。另外,本文还探讨了柴油机功率和转速变化时,对活塞、 缸套、缸盖的温度分布和热流分布的影响规律。比较结果表明,温度和热流均随着功 率、转速的增大而增大。 关键词:柴油机,传热,数值分析,耦合计算
新型柴油机活塞参数化热分析

0 引 言
2 . 1 活 塞 几 何 模 型 参 数 化
目前 各 国对 柴 油 机 的 强 化 向 HP D方 向 发 展 , 国 内车 用 柴 油 发 动 机 的 爆 发 压 力 设 计 已 经 达 到 1 8
新 型 柴 油机 活塞 参 数 化 热分 析 米
孟 继祖 ,毛 虎 平 , 张 志香 ,冯 耀 南
( 中北 大 学 机 电 工 程 学 院 , 山西 太 原 0 3 0 0 5 1 )
摘 要 :为 满足 高 功 率 密度 ( HP D ) 发 动机 发 展 的 需 要 , 设 计 了一 种 薄 壁 大 冷 却 油 腔 钢 结 构 活 塞 ,利 用 AN— S Y S的参 数 化 设 计 语 言 AP D L 对该 活塞 进 行 参 数 化 几 何建 模 、加 载 以及 温 度 场 求 解 。并 计 算 分 析 新 型 柴 油 机 钢 活 塞 结 构 对 活塞 温度 场 的影 响 . 为 活塞 产 品 的 系 列 优 化 设 计 提 供 了参 考 。
MP a L 】 ] 。对 于铝合 金活 塞 , 无论 采用 什 么强化 措 施 , 还 是不 能令 人满 意 , 特别 是热 疲劳 方面 。为解 决此 问题 , 工程 师们 正在 大力研 发 柴 油 机新 型 整 体 式 全钢 活塞 , 与普 通 的铸造 铝合金 活塞 相 比 , 其高 温力 学性 能好 、 线 膨胀 系数 小 、 配缸 间隙小 ( 仅为 传统铝 活塞 的一 半 ) 、 耐 磨性 能好 、 刚 度高 、 使 用 寿命 长 。但是 整体 式钢 活塞 的 重 量相对 于铝 活塞 偏 大 , 活塞表面温度也相对偏 高。 第 一环槽 温度 、 活塞 最 高 温度 和 热 应 力 是评 定 活 塞 热 状 态 的依 据 , 特别是 第一 环槽 温度 , 它不 仅影 响材料 强
高强化柴油机活塞的热机耦合强度分析

到 1 / 5 m s以 上 。 来 越 高 的 热 、 械 载 荷 导 致 活 塞 的 - 越 机 V 作 条 件 愈 加 严 酷 , 塞 销 座 开 裂 、 槽 早 期 磨 损 、 塞 活 环 活 顶 面 环 岸 开 裂 以 及 燃 烧 室 喉 口 边 缘 热 裂 等 失 效 更 加 显 著 。 因此活 塞 的设计 , 仅要 考 虑机械 负 荷 的作用 , 不 还 要 考 虑 热 负 荷 、 热 变 形 的 综 合 影 响 。 在 内 燃 机 研 究 领 域 ,采 用 有 限 元 数 值 模 拟 技 术 对 活 塞 的 热 机 耦 合 情 况
相应 的介 质 温度 . 准 确确 定换 热边 界 又 十分 困难 , 而 很 难 找 到 一 种 通 用 公 式 来 求 出 各 个 边 界 条 件 。 但 通 过 国 内外 研 究 人 员 对 活 塞 的 热 边 界 条 件 的 多 年 实 验 和 计 算 研 究 , 已 经 获 得 了 一 系 列 能 够 较 真 实 反 映 实 际 情 况 的
下 的 刚 、强 度 及 温 度 场 进 行 分 析 已 成 为 重 要 的 研 究 方
值 , 利 用 有 限 元 软 件 计 算 温 度 场 , 较 测 点 处 的 实 测 再 比 值 与 计 算 值 .依 据 传 热 学 原 理 修 正 其 边 界 条 件 后 再 重 新 计 算 , 样 反 复 由实 测 温 度 点 来 修 正 , 至 计 算 值 与 这 直 实 测 值 误 差 在 工 程 研 究 允 许 范 围 之 内 为 止 。因 此 , 文 本 在 考 虑 温 度 影 响 的 对 比 分 析 时 。活 塞 温 度 场 计 算 中 采 用 第 三 类 边 界 条 件 . 与 活 塞 接 触 的 各 种 介 质 的 温 度 和
柴油机改燃二甲醚后活塞热负荷的有限元分析

21 0 0年 1 2月
农 机 化 研 究
20。 0
第 1 2期
疆- -
▲ l I I 、 f l
L
、
到较 准确 的 温度 场 。 活 塞 共 用 了 1 5 70 0个 8节 点 的
六 面体单元 sl 7 od0来 描 述 , i 节点 数 为 25 3个 。 8
其 在航 空 航 天 、 车 、 用 机 械 、 业 设 备 和 医 疗 器 械 汽 通 工
以及其 它 高 科 技 应 用 领 域 的 机 械 设 计 和 模 具 加 工 自
收 稿 日期 :2 1 0 0—0 0 3— 4
的计 算 时 间就 越 长 , 在 划 分 时 可 根 据 具 体 情 况 灵 活 但 地 改 变 单元 的尺 寸 。 比如 , 形 状 复 杂 和 温 度 变 化 剧 在
活塞 的温 度场 进 行 计 算 , 二 甲醚 在 柴 油 机 上 的 正 常 为
应用 提 供 了依 据 。
图 1 活 塞 的几 何 模 型
1 有 限元 模 型 的建 立
1 1 几何 模 型 .
F g 1 Ge me r d lo h itn i. o t mo e ft e p so y
但 目前 的研 究 中还 缺 乏 对 柴 油 机 改 燃 D E后 发 动 机 M
各受 热 零件 的热 负 荷 分 析 。特 别 是 活 塞 , 是 发 动 机 它
上 的重 要零 件 , 有 受 热 面积 大 、 热 条 件 差 的特 点 , 具 散
其 结 构 和性 能 对 发 动 机 的 动 力 性 、 济 性 与 排 放 等 方 经
关 键 词 : 能 源 与 动 力 工 程 ; 柴 油 机 ; 有 限 元 分 析 ;活 塞 ; 二 甲 醚
技术研究报告

WORD格式技术研究报告课题编号:2011ZC0206课题名称:潍柴用WP7高性能柴油机活塞设计与制造申请鉴定单位:山东滨州渤海活塞股份有限公司(盖章)申请鉴定日期:2014.6.30一、国内外同类技术的背景材料汽车工业是我国国民经济的重要产业,近几年汽车工业在跨越式发展,随着国内外对重型卡车和大型工程机械需求的进一步扩大,柴油发动机正在向高负荷、高功率、高强度化方向发展,这对活塞本身的性能提出了更高的要求。
活塞是发动机上的关键零部件,被称为发动机的“心脏”,不但要满足发动机各项性能指标要求,同时还要承受交变的机械负荷和热负荷;活塞特别是高性能活塞已发展成为高技术含量产品。
为满足市场的需求和自身发展的需要,潍柴动力集团在广泛市场调研的基础上,依托公司强大的技术力量,将WP7系列柴油机作为重要战略项目提出,并进行全新设计开发,满足市场的需求,扩大国内市场占有率。
该发动机为废气涡轮增压中冷、直列、六缸、水冷、高压共轨、四冲程柴油机,该机结构紧凑、动力强劲、经济性好、排放指标欧Ⅳ,主要配套于中型载货车及工程机械车辆。
在该发动机设计过程中,广泛吸收了当今先进设计理论及方法,总体设计水平先进,燃烧过程组织合理,排放达到欧Ⅳ标准,符合我国排放法规的要求,市场前景十分广阔。
WP7-35活塞是与该机型配套的新型柴油机活塞,作为发动机的关键零部件,活塞环槽设计采用先进的三环槽结构,第一环槽将采用镶有耐磨镶圈的双梯形槽,能有效防止因高温下机油碳化结焦引起的活塞环卡滞、折断,使活塞环保持良好弹性及密封性,提高整机工作可靠性,耐磨镶圈由高镍奥氏体铸铁制成,增加了环槽的耐磨性,使活塞的使用寿命提高了1.5倍,降低了用户的使用成本;头部外圆采用大间隙锥体,对降低机油消耗和密封燃气具有很好的作用;裙部为中凸椭圆型面,使活塞在工作状态时与缸套配合间隙合理、便于润滑油膜的形成;活塞裙部表面石墨化处理,减少了活塞摩擦损失,裙部导向性得到了改善;活塞采用内冷腔结构能够迅速的传递热量,降低了活塞的热负荷;活塞销孔采用异形曲面设计进一步降低了销座应力峰值,提高了活塞销孔的承压能力。
基于有限元方法的热传导分析及其工程应用

基于有限元方法的热传导分析及其工程应用热传导是热力学中的一个重要现象,它描述了热量在物体中的传递过程。
在许多工程领域中,对热传导进行准确的分析和预测至关重要。
有限元方法是一种常用的数值模拟方法,可以有效地用于热传导分析,并在工程实践中得到了广泛的应用。
1. 有限元方法简介有限元方法是一种将复杂问题离散化为简单问题的数值方法。
它将需要求解的区域划分为有限数量的子区域,称为单元。
通过在每个单元上建立适当的数学模型,并考虑其边界条件,可以得到整个区域的近似解。
有限元方法可以应用于不同的物理场问题,例如结构力学、热传导、流体力学等。
2. 热传导的数学模型热传导过程可以用热传导方程表达。
对于三维空间中的热传导问题,热传导方程可以写作:∇·(k∇T) + q = ρCp∂T/∂t其中,T是温度分布,k是热导率,q是体积源项,ρ是密度,Cp是比热容。
这是一个偏微分方程,可通过有限元方法进行离散化求解。
3. 有限元离散化过程为了使用有限元方法解决热传导问题,首先需要将待求解区域划分为有限数量的单元。
常见的单元形状有三角形、四边形单元等。
然后,在每个单元内选择适当的插值函数来近似温度场的分布。
通过在每个单元上建立局部方程,并将它们组装成一个整体方程,可以得到一个线性方程组。
通过求解这个方程组,可以得到整个区域的温度分布。
4. 边界条件的处理在热传导问题中,边界条件起着重要的作用。
边界条件可以分为温度边界条件和热通量边界条件。
温度边界条件指定了边界上的温度值,而热通量边界条件指定了热量在边界上的传递速率。
在有限元方法中,通过在网格节点处施加相应的边界条件,可以得到方程组的边界条件部分。
5. 工程应用基于有限元方法的热传导分析在工程中有着广泛的应用。
以热导率为例,对于材料的选取和设计,了解其热导率的分布是非常重要的。
有限元方法可以对材料的热导率进行模拟和预测,从而指导工程设计和优化。
同时,在导热设备的设计中,有限元方法也可以用来评估材料的热传导性能,确定热传导路径,优化传热效果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
关键 词 :柴油机 活塞 有限 元分析 温 度场 热应 力
F nt e n e ma ay i n mp r t r il i ieElme t Th r l An lssa dTe e au eF ed
柴油机活塞 温度场试验研 究及有 限元热分析
谢琰 ,席 明智 。刘晓 丽 。
(. 1 长安 汽 车动 力研 究院 , 庆 402 ; . 重 00 1 2 内蒙 古工业 大 学能源 与动 力工程 学院 , 呼和浩特 041 ; 100 3 渤 海船 舶 职业技 术 学院 , . 葫芦 岛市 150 ) 200 摘 要 对 改进 的 Z 15 型 柴油机 缩 口四 角 【 燃 烧 系统 ,利 用热 电偶 法 实测 了标 定 工 况下 H10W 1 ) 活 塞顸 面 、侧 面和 内腔 共 1 6个特征 点 的 温度 。 用 PoE建 立 活塞 几 何模 型 ,选取 热 结构 耦 合 单 r/ 元 ,并对模 型 网格进 行 了优 化 ,结 合试 验值 对 活塞进 行 热分 析计 算 ,得到 活 塞三 维温度 场 、 热应 力场 和 变形 。计 算 结 果表 明 ,在 标定 . 况 下 ,活塞 最 高温度 出现 在 燃烧 室喉部 达 到 307 ,最 y - 1.℃ 大 vnMis o s 热应 力 出现在 排 气一侧 的 回 油孔 顶部 ,为 6.MP ,最 大 热 变形 量 出现在 活塞 顶 面 e 84 a
egn ,h ie nc aatr t m eaue fh io nt ,us ea dis e ee aue n e n e tes t hrc i i t p rt s e s no p o td n i r srdu dr i xe e sce r ot p t o i n d w me
w so t z d T et r e d me so a mp r t r ed sr s n itr o ft e p s n a ea q i d b a p i e . h h e — i n i n l e e a u e f l , te sa d d s t n o it r c u r y mi t i o i h o e c mb n n e t g d t n i i lme t c c lt n h e e au e d sr u i n r s l ft e mo e o i i g t si aa a d f t ee n a u ai .T e tmp r t r it b t e u t o h d l n n e l o i o s u d r t e r td p we o d t n id c t t a e h g e t t mp r t r s 3 0 7 n e h a e o r c n i o n iae h t t i h s e e a u e i . ℃ a e t r a f t e i h 1 tt ho to h h
s tu t hePr / s f r , het r lsr c u e o o pl g un twa e e t d n e mo lme hi e p wih t o E ot e t he ma tu t fc u i i wa r n ss l ce ,a d t de s ng h
Ab ta t F rt e i r v d q a r n l o u t n c a e fo g h p f h H1 0 W i s l s r c : o h mp o e u d a ge c mb si h mb ro me a s a e o e Z 5 d e e o t 1
2 S h oo E eg dP w r n n e n ,n e o gl nvri T c nlg, o h t 10 1 hn ; .c ol f n ry n o e g er gIn r n o a iesy f e h oo H h o 0 0 5 , i a Ei i M iU to y C a 3 B h i hp uligV ct nl o ee H ldo15 0 , hn ) . o a S ib i n oa o a C l g, uu a 2 0 0 C ia d i l
te r td p we o d t n t r u h t e mo o p e c n a tp o e s, h e mer a d lo e p so s h ae o rc n i o o gቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ h r c u l o tc r c s . T e g o t c lmo e ft itn wa i h i h
Me s r me t f e e gn so a u e n sl o Di En i ePitn
Xi n’ Xi ig h Lu Xio i e Ya , n z i, i a l M 。
(. h n ’nAuo t eMoo gn 1 C a g tmo v tr a i En ieR&D s tt, h n qn 0 0 C ia I t ue C o g ig4 0 2 , hn ; ni 1
柴油机设 计 与制造
D sn eg &Mau c r o D e l n n i n f t e f ieE  ̄ e au s
d i 1 .9 9 . s . 7 - 6 42 1 .3 0 o 03 6 /i n1 1 0 1 . 2 . 2 : js 6 0 0 0
2 1 年第 3 第 1 卷( 02 期 8 总第 10 ) 4期