柴油机活塞内部热机械条件的有限元分析外文翻译资料

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应用热工程119（2017）312–318

应用热工程

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研究论文

柴油机活塞内部热机械条件的有限元分析

作者X.F.Liu，Y.Wang，W.H.Liu

要点

确定边界条件的经验模型。

寿命与压力之间的关系受Arrhenius模型的影响。

获得了活塞在加速测试条件下的疲劳寿命。

摘要

在本文中，我们对柴油机活塞内部的热机械条件进行了理论研究。在理论分析中，采用了活塞的工作参数，半经验公式和经验模型来确定温度和应力场等边界条件。使用有限元方法（FEM），计算了应力载荷和疲劳寿命。根据现有的实验数据，可以很好地改进所使用的经验公式和模型。此外，使用FEM模拟了恶劣条件，并使用加速寿命测试验证了结果。此外，基于上述模拟数据，建立了在热载荷，机械载荷和热力耦合条件下活塞寿命与应力之间的关系。结果表明，在不同的热，机械和热机械耦合条件下，它们的关系分别服从Arrhenius模型，Inverse power law模型和General Eyring模型。

1. 简介

一个部件的损坏通常会导致整个发动机的故障，因此发动机的可靠性已成为人们关注的焦点。活塞作为发动机的重要组成部分，其主要作用是形成带有气缸套和气缸盖的燃烧室，承受燃气燃烧时的爆炸压力，并通过连杆和曲轴向外输出功。一方面，活塞的性能直接影响发动机的性能，另一方面，活塞承受高的热负荷和机械负荷，热应力和机械应力的周期性变化严重影响了发动机的疲劳寿命。活塞。温度的波动也明显影响材料的性能[1]，[2]。活塞对发动机的可靠性非常重要，但是，这是一种长寿命，高可靠性的产品。活塞上的许多可靠性测试可能会花费大量的人力和物力。但是，加速寿命测试可以减少测试时间[3]。

加速寿命测试的基本思想是在测试产品上施加比正常情况更高的应力（例如热应力，机械应力和电应力），以加速故障过程并缩短测试时间，然后使用加速模型来评估可靠性正常情况下产品的功能。根据应力的加载方法分类，加速寿命测试主要包括恒应力加速寿命测试，阶跃应力加速寿命测试，渐进应力加速寿命测试和降压应力加速寿命测试[4]。 Philipp [5]研究了恒应力加速寿命试验模型和统计分析方法，例如图形分析法，最小二乘法和最大似然估计（MLE）。 Bugaighis [6]将MLE与BULE（最佳线性无偏估计）进行比较，以分析准确性，并得出结论，前一种方法具有更好的估计性能。并讨论了各种检查模式（修复时间，修复编号）对MLE的影响。Guan[7]对具有各种截断形式的指数分布的恒应力加速寿命试验的贝叶斯方法进行了统一描述。步进应力加速寿命测试具有高效率的优点，研究人员已经注意到了这一点。Nelson[8]进行了阶跃加速寿命试验的残差分析。 Wang [9]验证了CEM和其他模型。

尽管加速寿命测试可以大大提高发动机部件可靠性的验证速度，但由于实际条件的限制，大多数过载测试无法完成。 随着计算机技术的飞速发展，有限元技术对活塞的仿真结果越来越准确[10]。 以发动机活塞为研究对象，并利用仿真数据和现场测试数据分析其可靠性。 然后在热负荷条件，机械负荷条件和热机械耦合条件下计算活塞的应力，以获得可靠性寿命参数。 然后根据加速寿命试验的条件，通过仿真计算得出了加速寿命曲线。 如果结果与现有的加速疲劳试验模型吻合，将具有重要意义。

2.温度和热应力分析

2.1． 柴油机参数

测试对象为采用博世第二代共轨电子控制系统的排量为10-L的柴油发动机。 发动机的参数如表1所示。在Boost软件中校准一维模型后，可以根据实验的气缸压力曲线模拟发动机性能，然后可以从Boost软件获得发动机的各种工况。

表一

柴油机参数

2.2.热负荷的边界条件

活塞温度场计算的关键是施加热边界条件的方法。 合理的边界条件可以保证准确的结果。 因此，确定最高温度和关键部件（例如活塞顶和环槽）的温度分布对于精确计算很重要。 受气体的燃烧方式，气流的移动速度，进气压力和温度，燃烧室的几何形状以及不同冷却方法的影响，没有确定的公式或方法来施加活塞温度场的边界条件。 目前，通常使用经验和半经验公式来确定边界条件。（1）活塞顶的传热系数

由于柴油机的燃烧过程非常复杂，尽管研究人员研究了气缸内的传热特性，但尚未找到适用于所有类型柴油机的完整通用公式[11]。最常用的公式是Woschni公式：

（1）

其中表示活塞的平均速度，单位为m / s； P表示气缸内的气压，单位为MPa。 D表示柴油机气缸的直径，单位为m； T代表气缸内的气体温度，单位为K； 代表气瓶中气体产生的增加值； 和代表压缩过程开始时的气体状态； 表示工作过程中的系数：排气过程中的值取为7.13，压缩过程中的值取为2.98。 是关于燃烧室形式的系数，对于预燃烧类型，该值为0.0062，对于直接喷射类型，该值为0.0032。

活塞顶的温度场影响活塞的整体温度分布，这在活塞温度场中起关键作用。 为了获得准确的活塞温度场，许多研究人员研究了活塞顶上的传热系数分布。 在本文中，使用了AVL的经验公式，如下所示[11]。

(2)

表示在一定条件下的最大传热系数，r表示半径。 在本文中，根据公式（2）确定了活塞顶上的对流传热系数。

（2）油冷通道的传热系数

以下经验公式用于计算油冷却通道的传热系数：

(3)

是传热系数,是等效直径，表示润滑油的导热系数，n表示转速，H表示平均截面高度，gamma;表示动态粘度系数。

（3）活塞侧面的传热系数
在求解活塞温度场时，由于影响活塞侧面的传热系数的因素很多，因此难以确定传热系数。 当前的基本方法是将模型视为多层次传热模型。 根据多层次传热的理论，热阻可以用串联的热阻来描述。 可以将总热阻视为每个电阻的总和[11]，如下所示：

(4)

和分别表示活塞环，油膜，气缸套和水套的热阻。

（4）活塞腔的传热系数

曲轴箱的热状况良好； 活塞腔的传热系数变化很小，计算公式如下： (5)

其中表示活塞顶的厚度，表示活塞的热导率，是曲轴箱中的气体温度，表示活塞顶的温度,是活塞腔的温度。

2.3。 机械载荷的边界条件

气体爆发压力施加在活塞上。 在活塞的有限元计算中，施加在活塞顶和活塞环岸上的爆发压力是均匀分布的。 由于在活塞环后气压将逐渐降低，因此施加在第一环形槽上的爆炸压力为总压力的75％，并且在第一环形槽和第二环形槽之间施加了25％的压力。 第二个环形槽下方的气压可以忽略不计。如果发动机正在工作，则活塞的运动是气缸中的线性往复运动活塞。往复惯性力与活塞质量成正比，其方向与活塞运动的方向相反。 往复运动的加速度为：

(6)

其中r代表曲柄半径，omega;是发动机的转速，lambda;是曲柄半径与连杆长度的比值。如果发动机在工作，则活塞沿气缸进行线性往复运动。 由于活塞裙与气缸接触，因此由于连杆的作用力而受到侧向推力。 侧推力的求解公式如下：

(7)

(8)

其中是活塞顶的气体爆炸压力，是惯性力，代表曲柄角，beta;是连杆的角位移。

2.4。 活塞的有限元方法

活塞承受机械应力，例如由于燃烧引起的最大燃烧压力，并且由于温度变化而承受热应力。 因此，需要分析活塞上的热力耦合应力和应变。

首先，将活塞的三维模型导入Hypermesh软件以进行网格生成。读取几何模型后，需要在生成网格之前对模型进行几何清理。然后建立二维网格模型。根据实际情况在网格生成过程中也需要对网格进行细化。活塞顶上的温度和温度梯度非常高，因此需要细化网格。活塞环槽具有较高的热通量，并且应力集中非常明显，因此该区域的网格也应进行细化。此外，活塞销的网格应尽可能对称。建立二维网格模型后，由于活塞各个部位的温度和传热系数不同，因此应在各个部位建立界面以定义边界条件。然后需要选择网格类型。在温度场计算中将网格类型配置为DC3D10，在应力场计算中将网格类型配置为C3D10M。网格模型如图1所示。

1. 活塞的热应力分析

设置活塞材料参数后，将在Abaqus软件中进行计算。 活塞材料为铝合金ZL109，弹性模量为70 GPa，泊松比为0.3，密度为2.7 t /，导热系数为172 w /（m k）。 在活塞的应力场分析中，为了避免计算结果由于约束而过大，在活塞模型上增加了活塞销，对活塞销与连杆之间的接触部分施加了约束，并且活塞销和销孔之间建立接口。 实验结果表明这种约束是合理的。

如果完成了活塞的FEM模拟计算，则将分析温度场的计算结果。 活塞的温度分布如图2所示。

从活塞的有限元温度场可以看出，活塞的整个温度分布是不均匀的。 沿着活塞的轴向，温度从其顶部到底部显示出下降的趋势。 最高温度在活塞顶部，即576K。最低温度出现在活塞裙部，温度为369K。最高温度和最低温度之间的差为207K。活塞的最高温度点出现在活塞顶部凸起边缘与凹坑之间的交点处。

活塞的热应力计算基于温度场。如果要计算活塞的应力，则会根据活塞温度场的计算模型将活塞销添加到模型中。网格类型将转换为C3D10M。在活塞销和连杆之间的接触区域建立约束。将计算出的温度场结果导入Abaqus软件，然后对活塞施加约束以计算热应力。计算结果如图2（b）所示。最大热应力主要出现在活塞和活塞环槽的顶部。最大热应力为80.5 MPa。第二环槽具有高的热应力，并且热应力值为62MPa。第三环槽处的最大热应力值为48 MPa。在油冷却通道上也出现了很高的热应力，达到60 MPa。活塞裙和销座均具有较小的热应力。销座上的最大热应力值为31 MPa，活塞裙下端的最大热应力仅为28 MP。

（2）活塞的机械应力分析

然后在活塞上施加边界条件以计算机械应力。图2（c）是由气体爆发压力，惯性力和横向力引起的活塞承受压力时的应力。如图2（c）所示，当由气体爆压和惯性力引起的轴承压力时，最大压力出现在活塞销孔内部的顶部，承受最大压力的位置与设计手册一致。值为158 MPa。活塞销座孔的外边缘承受较小的应力。活塞顶承受的最大应力约为48 MPa。环形槽也承受较大的应力。第二个环形

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