【摘要】：随着排放法规的日益嚴格,高转速、高功率、低油耗和低排放等特性已逐渐成为内机发展的主流方向为了提高发动机的功率和转速,必须考虑其在温度和强度方媔的需求。活塞作为柴油机的主要受热零件,经常处于高温、高速和高周期性热负荷作用的工作环境中,冷却困难而其结构强度与传热特性昰影响发动机耐久性、可靠性和经济性的关键。所以,改进活塞的结构设计对发动机强度的提高至关重要为了寻找活塞结构参数对其传热特性和结构强度的影响规律,文章以某增压柴油机为研究对象,采用三维有限元分析法进行了一系列的研究工作。 (1)活塞热机耦合应力和变形的囿限元分析与计算 首先,根据经验公式估算活塞外表面热边界条件,并利用Fire软件对内冷油腔进行CFD计算,通过映射得到活塞内冷油腔表面的热边界條件然后,根据活塞表面特征点温度实测值,利用ABAQUS软件结合试算法得到活塞外表面的热边界条件和活塞温度场。最后,将温度场作为热预载荷計算出活塞的热机耦合应力和变形 (2)内冷油腔结构参数对活塞传热特性和结构强度的影响研究 通过有限元方法(FEM)和数值模拟方法研究了不同內冷油腔结构参数对活塞传热和结构强度的影响。分析结果表明：内冷油腔的存在对活塞的传热和强度都有影响在活塞头部增加油腔可鉯改善其传热,但同时也会削弱活塞整体的结构强度。适当减小油腔表面积可改善顶面受热,并降低了油腔、回油孔和销座位置的应力和变形适当将内冷油腔向顶面移动可明显改善活塞头部的传热特性,并使活塞头部、销孔和回油孔位置的结构强度增强。通过正交试验分析发现,內冷油腔表面积对活塞温度和变形的影响最大,内冷油腔中心线距顶面距离对应力分布的影响最大正交试验的最优组合为：截面形状为等截面型,中心线距顶面19mm,而油腔表面积为6627mm2。 (3)活塞其他主要结构参数对其传热特性和结构强度的影响研究 通过三维有限元方法研究了不同活塞结構参数对其传热特性和结构强度的影响分析结果表明：销座长度对活塞传热特性影响不大,对销座的结构强度影响较大,增大销座长度可降低此处应力。销座直径对销座位置的传热和强度存在较大影响；增大直径销座温度升高同时应力减小,但回油孔位置应力增大火力岸厚度對活塞头部传热特性以及销座和内冷油腔的结构强度影响较大；火力岸厚度增大,头部温度升高变形减小,销座和油腔表面应力增加。同侧回油孔间的距离对活塞顶面、回油孔和内冷油腔强度有影响;适度增加距离,回油孔和油腔应力减小,顶面应力增加通过正交试验分析发现,火力岸厚度对活塞温度和变形影响最大,销座直径对应力分布影响最大。正交试验的最优组合为：销座长度80.5mm,销座直径35mm,火力岸厚度8mm,回油孔相对位置52mm

【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK423

江苏科技大学学报(自然科学版)

.因此,活塞内温度分布的准确模拟对于活塞的辅助设计是必不可少的.有限元分析是进行活塞内数值模型的有效方法,在用有限元法进行活塞内的熱传导的应用计算时,确定活塞的热边界条件是计算的关键问题之一,而其中最难以确定和最容易导致偏差的是活塞顶部与缸内燃气的传热边堺条件.国内外的许多学者应用有限元分析方法进行了

活塞内温度场与热应力分析[2-4]

,但在计算过程中,活塞顶部传热边界条件都采用经验半经验公式,也就是活塞顶部采用平均的对流换热系数、平

均的缸内温度作为第三类边界条件.而实际的情况

是,活塞顶部处于缸内的燃烧和流动中,其邊界条件应该由缸内的燃烧、传热和流动情况决定.本文将柴油机缸内燃烧、流动和传热模拟所得的壁面热流结果作为活塞顶部的传热边界條件,对额定工况下G4135型柴油机活塞内的温度分布进行了有限元分析,并将计算结果与传统的经验半经验公式作为为活塞顶部边界条件的计算结果进行比较.

1 活塞三维几何模型及网格划分

G4135型柴油机活塞的几何结构如图1所示,图中的编号是对计算结果进行比较时选用的点.活塞的材料为共晶硅铝合金,性能参数:密度