内燃机活塞温度场分析
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。
内燃机活塞的热分析论文汇总
目录摘要 (1)Abstract (2)1 绪论 (3)1.1 研究来源与意义 (3)1.2 研究的国内外状况 (4)1.3 研究方法 (4)1.4 本文的主要研究内容 (5)2 温度场的有限元分析 (6)2.1 热分析理论基础 (6)2.2 有限元方法理论 (8)2.3 活塞有限元模型的建立 (11)2.4 活塞有限元分析的内容 (14)3 活塞温度场分析·······················错误！未定义书签。
3.1 活塞热对流边界条件的计算 (15)3.2 活塞温度场的分析 (24)3.3 活塞强度分析 (27)3.4 型不同火力岸高度活塞的热应力对比分析 (36)3.5 O型与平顶型活塞的温度场分析 (40)4 结论与展望 (43)4.1 结论 (43)4.2 展望 (43)致谢 (44)参考文献 (45)内燃机活塞的热-结构耦合仿真学生姓名：专业班级：指导教师：指导单位：摘要：活塞作为内燃机的关键零部件之一，它设计质量的好坏直接关系到内燃机的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能。
活塞的工作环境极为恶劣:混合气燃烧产生的高温高压燃气使活塞顶部乃至整个活塞温度很高，且温度分布很不均匀，导致活塞产生热应力和热变形；同时活塞还受到燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向推力和摩擦力等周期性载荷作用，产生机械应力和机械变形[1]。
热负荷和机械负荷将导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸等。
因此，在新产品的开发过程中，很有必要对活塞进行温度场和强度分析，了解活塞的温度分布和应力分布情况，进而改进活塞。
本文利用活塞二分之一模型，使用ANSYS软件计算了活塞在最大爆发压力工况点的温度分布情况；温度、机械载荷单独作用时的应力和变形情况；温度、机械载荷共同作用时活塞的应力和变形情况，为优化活塞设计提供了较符合实际工作状况的基础温度与应力数据及改进方向[2]。
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。
发动机活塞温度场三维有限元分析
内燃机工程
边界条件是用有限元法计算活塞温度场的关键。确 定换热边界条件, 主要是确定活塞各边界与燃气、冷 却水、冷却油以及曲轴箱内油雾之间的换热系数和 相应的介质温度。
由于活塞顶部及环槽以上的部分受到高温高压 燃气的作用, 裙部及背面为油冷却, 活塞销孔和活塞 销之间又有连续的滑动摩擦产生热量, 因此模型内 部的温度分布极为复杂。这样活塞的边界条件及载 荷的分布和大小显得特别重要, 任何地方边界条件 的偏差都会引起温度场分布的不同。确定这种换热 边界条件的困难在于很难找到一个准确的计算活塞 和周围介质之间的换热系数的通用公式, 所以在确 定边界条件时, 应根据冷却油温度、流速、润滑油温 度以及由示功图计算出的燃气温度等, 通过经验、半 经验的公式计算活塞顶部或燃气的热交换系数, 活 塞环区、活塞裙部外侧, 以及活塞内侧腔的当量热交 换系数。这些经验的、半经验的公式确定的传热边 界条件与实际情况可能有较大差别, 因此还需通过 对比计算结果与活塞上对应点的实测结果, 不断修 正边界条件, 使最终计算结果与实测结果符合的更 好, 从而提高计算的准确性和精确度, 同时也为进一 步的热分析提供较为精确的边界条件。
( 3) 活塞的轴向温度差大约在 165 , 而且沿轴 向的分布是非线性的, 所以在设计活塞时, 要考虑活 塞在受热时产生的轴向的非线性的热变形。
( 4) 活塞环槽上下面及内侧面的温度差为 10 ~ 30 , 温度梯度相对较大, 加上此处的尖角多, 又 是活塞散热的重要途径, 所以应特别考虑此处的结 构。特别是第一环槽的温度差达到了 27 , 应给予 充分的重视, 在结构上可以考虑使用护槽圈。
Three-Dimensional FEA for the Thermal Field of Pistons
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。
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１ 概 述
内燃 机 在 工 作过 程 中 ， 塞 不 仅 承受 着 周 期 性 活 的机 械 负荷 ， 承受 着 高 温 的热 负荷 。现 代 内燃 机 还 不 断 向 强化 、 增压 、 高升 功 率 等方 向发展 。 伴 随 着 而 内燃 机转 速 和 功 率 的增 大 。 然 导致 活 塞 热 负 荷 的 必 增 加 。 活塞 作 为 发 动机 的关 键 部 件 ， 否 解 决 热 负 能 荷 问 题是 提 高 整 机技 术 水平 的关 键 ， 接 影 响 内燃 直 机 的工 作可 靠 性 和耐久 性 。而确 定活 塞温 度场 分 布 是解 决 所有 计 算活 塞热 负荷 问题 的基础 工作 口 １ 。
节 点［ ２ １
２ 活 塞 模 型 的建 立
本 文 所 分析 的活 塞是 一 个 组 合 式 的 活塞 ， 通过 螺 栓将 活塞 头 和 活塞体 紧 固在 一起 。燃烧 室 为 凹坑 形状 ， 位于 活塞 顶部 的中 央 。
本 文所 采 用 的活塞 模 型有 如下 几个 特点 ： （ ） 文 所 用 活 塞模 型 冷 却 方式 为 冷 却 腔 和震 １本 荡 冷却 的复合 冷却 方式 。
元 网格 图 。
３ 有 限元 网格 的划 分
Ｈ ｐ ｒ ｓ 是 目前 应 用 最 广 泛 的前 处 理 软 件 ， ｙ ｅＭｅｈ
４ 活 塞 温 度 场 计 算
４１ 活 塞传 热边 界条 件 的确 定 ．
它 主 要用 于 汽 车 行业 ， 已经 成 为全 球 汽 车 行 业 的标 准配 置 。本 文应 用Ｈｙ ｅＭｅｈ ｐ ｒ ｓ 软件 对 模 型 进 行 网格 的划 分 ， 第一 步 工 作 是几 何 清 理 。 由于 距 离 非 常近
的 温 度 场 ， 活 塞 的 结 构 改 进 和 优 化 提 供 了理 论 依 据 。 为
［ 键词］ 关 活塞 Ｈｙ ｅＭｅ ｐｒ ｓ ｈ温度 场
Ｋｅ ｒ ：Ｐ ｓｏ Ｈｙ ｒ ｓ Ｔｅ ｅ ａｕ ｅ ｆｅ ｄ ｙ ｗｏ ｄｓ ｉｔ ｎ ｐｅ Ｍｅ ｈ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｌ ｉ
图 １ 活 星 模 型
一
（ ） 塞 的冷 却 油 腔 是 重 要 的 冷 却 通 道 ， 模 ２活 建 时需 要 认 真分 析 ． 如实 建模 。 （ ） 于本 身 活 塞 的 形状 是 很 复 杂 的 ， 不 影 ３由 在 响 分 析 准确 度 的 前 提下 。 活 塞 建模 进 行 了一 定程 对 度 的简 化 ， 如倒 角 和倒 圆等 。 （） ４ 由于 建 立 的 活塞 模 型是 一 个 对 称 体 ， 虑 考 到计 算 的效 率 问题 ． 本文 建立 了二分 之一 的模 型 。 所 建立 的模 型 如 图１ 所示
的 曲线 或 尺 寸 非 常 小 的 曲线 在 划 分 有 限 元 网格 的
时候 会 在 局 部 生 成 尺 寸 非 常 小 的 网格 或 照 成 网格
尺寸 变 化剧 烈 ，影 响 网格 质 量 。为此 可 以 利用 Ｈ ． ｙ ｐ ｒ ｓ 的曲线 或边 的抑 制 功能 ， 距 离非 常 近 的 曲 ｅＭｅｈ 将 线 中的一条 和 尺寸 非常 小 的 曲线 抑 制掉 。被 抑制 的 曲线 或 边 在 划分 有 限元 网 格 的时 候 就 不 会 再 生 成
般 来 说 ． 有 限 元 单 元 划 分 的越 小 ， 算 精 将 计
度 就 会 越高 ， 是 单 元数 量 会 受 限 于计 算 机 资 源 ｌ 但 ３ ＿ 。 所 以 网格 的划 分 既要 保 证计 算 的精 度 ， 又不 能 耗 费 过 多 的计 算 时 间 。但 是 为 了保 证 计 算 精 度 ， 要 在 需 活 塞 形 状 复杂 和温 度 变 化 剧 烈 的 地 方 对 网格 进 行 加 密 。 活塞 头部 的温 度梯 度 是 最 大 的 ， 以本 文 在 所 划 分 网格 时对 活塞 的头 部 的 网格 进 行 了加密 。共 产 生 了１ ７ ０ 节 点 ，０ ４ 个单 元 。图２ ８ ６个 １８９ 为模 型 的有 限
４
内 燃 机 与 配 件
２１ ０ ２年 第 ２期
内燃 机 活 塞 温 度 场 分 析
Ｔｅ ｐｅ ａ ｕｒ ｅｄ ａ ｙ ｉ ｆＣｏ ｂｕｓｉ ｎ Ｅｎｇ ｎｅＰｉ ｔ ｎ ｍ ｒ ｔ ｅＦｉ ｌ Ａｎ ｌ ｓｓｏ ｍ ｔｏ ｉ ｓｏ
Hale Waihona Puke 温 剑武董 小瑞王晓辉
王
强
（ 中北 大 学） ［ 要］ 摘 建立 了二 分 之 一 活塞模 型 ， 用 Ｈｙ ｅＭｅ 应 ｐ ｒ ｓ 件 对模 型进 行 了网格 划分 ， 算 了活 塞 ｈ软 计
取 得 一个 符 合 实 际工 况 的热 边 界条 件 ， 进 行 是 活 塞 温 度 场 计 算 的关 键 。它 决 定 了结 果 的 正 确 与