发动机活塞三维有限元计算报告

发动机活塞三维有限元计算报告目录1、计算目的及要求 (3)2、计算对象及计算思路 (3)3、活塞喷油冷却计算 (3)3.1 几何模型 (3)3.2网格划分 (4)3.3边界条件 (4)3.4结果分析 (5)3.5活塞强制振荡冷却的瞬态数值模拟 (5)3.5.1边界条件设置 (6)4、活塞温度场计算 (8)4.1 有限元网格 (8)4.2 热边界条件 (9)4.3额定工况输出结果 (9)5、活塞热-机耦合计算 (11)5.1网格模型 (12)5.2 活塞机械负荷边界条件 (12)5.3活塞顶部燃气压力的施加 (12)5.4活塞热机耦合应力分析 (13)6、疲劳分析 (14)6.1 疲劳计算 (14)6.2 结果分析 (14)7、活塞变形分析 (15)7.1热负荷下活塞变形量 (15)7.2热机耦合下活塞变形量 (15)8、计算结论及建议 (16)1、计算目的及要求根据发动机对活塞动力性能的要求，保证在额定转速工况下活塞的应力以及疲劳变形在合理的范围之内，使活塞正常运行，不会出现卡环以及疲劳破坏现象，对发动机进行分析计算，评判其相应的性能。

2、计算对象及计算思路的基本参数如表2.1所示。

表2.1 活塞三维计算基本参数型式4缸、立式、直列、四冲程、水冷缸径（mm）98额定转速（rp/m）2400最大爆发压力（MPa）143、活塞喷油冷却计算表3.1活塞喷油冷却计算所需基本参数额定转速（rpm）2400开始时刻曲柄转角（deg) 180活塞冲程（mm）105连杆长度（mm）170喷嘴流量2L/min喷孔孔径回油孔径2.7mm 6mm3.1 几何模型由于提供的是实体模型，所以首要手动将CFD计算区域及流体流过区域进行提取，并将流体进出口封闭。

原始几何模型和提取流体域之后的几何模型如图3.1所示：图3.1活塞稳态、瞬态喷油冷却的几何模型3.2网格划分由设计部分获取活塞的几何模型以及柴油机的相关参数。

对活塞的几何模型进行预处理，从中提取出活塞位于下止点处的喷油流场几何模型。

由几何模型划分体网格，并根据需要对边界层、冷却通道、冷却通道进出口及冷却油入口等重要特征进行局部加密。

在流体与壁面接触处设置5层边界层。

图3.2网格模型3.3边界条件利用不同喷油压力下得到的总喷油量换算得到相应的喷射速度，将喷油嘴处设为速度入口边界，出口为压力出口，表压为0；由于活塞喷油冷却旳稳态模拟过程只关注不同位置时冷却油能够喷入内冷油腔的量，不计传热，因而其他壁面均设为绝热壁面；内冷油腔进、出口截面设为interior；初始时，整个流体区域内充满了空气相；激活VOF模型，将空气作为第一相，冷却油作为第二相，入口处，冷却油体积分数为1。

3.4结果分析为了保证计算结果的准确性，得到收敛解，可以在Fluent中设置监测变量。

本文中，通过监测在迭代计算中流过内冷油腔进、出口的冷却油的质量流量来判断结果是否达到收敛，并认为内冷油腔进、出口截面上的质量流量不再变化并且两者之差差别小于0.001kg/s时迭代结束。

3.5活塞强制振荡冷却的瞬态数值模拟当活塞处于静止状态，喷油速度和喷油方向对内冷油腔内的机油体积分数和机油质量流量有很大影响。

但是在实际的喷油冷却过程中活塞并不是静止的，而是按照一定的规律做上下往复运动。

高速的活塞运动可以使机油在内冷油腔内产生强烈振荡，改变内冷油腔内机油的分布规律。

同时，由于相对喷油速度随着活塞运动时刻变化，内冷油腔进、出口的机油质量流量也会由于机油自身运动、活塞运动以及重力影响的多重作用而发生改变。

另外，在冷却传热过程中，机油的温度会发生变化，影响机油粘度，也会使流动和传热发生变化。

因此，实际的活塞喷油冷却是一个极为复杂的流动与传热过程，稳态模拟根本无法说明活塞动态情况下的机油分布和流动特点，因此对活塞喷油冷却进行瞬态模拟十分必要[2]。

表3.3动网格参数设置曲轴转速（rpm）2400开始时刻曲柄转角（deg) 180周期（deg）360每步曲柄转角（deg）0.5活塞冲程（mm）105连杆长度（mm）1703.5.1边界条件设置与稳态模拟相同的是冷却油进口仍设为速度进口边界条件，出口仍为压力出口，表压为0。

因为活塞喷油冷却的瞬态模拟关注冷却油与内冷油腔以及活塞底壁面的传热，因而激活能量方程，设置各壁面为433K定壁温条件。

设置瑞流模型并激活重力选项。

初始时，整个流体区域内充满了空气相；激活VOF模型，将空气作为第一相，冷却油作为第二相，入口处，冷却油体积分数为1。

3.5.2活塞喷油冷却瞬态结果显示与分析活塞喷油冷却的瞬态过程中，油束本身具有速度、同时活塞也在上下运动，因而不同时刻流经内冷油腔的进、出口机油流量不同，同一时刻流经内冷油腔的进、出口机油流量也不同，这与活塞静止状态下，内冷油腔进、出口流量一致是完全不同的。

为了保证计算结果的准确性，得到收敛解，在Fluent中设置监测变量。

本文中，通过监测在迭代计算中流过内冷油腔进、出口的冷却油的质量流量来判断结果是否达到收敛，并认为内冷油腔进、出口截面上的质量流量不再随活塞循环发生变化时结果收敛，即通过内冷油腔进、出口截面上的质量流量只与活塞位置有关系，即使循环增加，结果仍然保持稳定。

图3.3所示为得到的后三个循环过程中通过内冷油腔进、出口截面上的机油质量流量变化曲线。

从图中可以看出，监测结果己经趋于稳定，此后冷却腔内机油的流动和分布状态只与活塞位置有关，不再随循环次数增加而变化。

因此可以取第最后一个循环的计算结果作为分析对象。

图3.3迭代检测曲线图活塞喷油冷却瞬态过程中，内冷油腔内的机油既沿着内冷油腔流动，又在活塞的带动下在腔内不断振荡，冲击壁面，加之机油自身的惯性，机油在内冷油腔内的空间分布和流动是一个不断变化的过程。

活塞在上行和下行运动到同一位置时，内冷油腔壁面的机油分数也会不同，流入和流出油腔的机油流量也不同。

图3.4油腔机油振荡分布图本次计算活塞冷却腔的机油分数来分析活塞冷却情况。

活塞强制振荡冷却方式为：机油从入口以2L/min的流量进入冷却腔，最后通过直径6mm的出口流出冷却腔。

活塞冷却计算模型机油体积分数在0.62左右波动，机油在冷却油腔分数足够多，能够达到良好的冷却效果。

4、活塞温度场计算在发动机气缸内，燃料不断燃烧释放能量，活塞顶面直接受高温燃气的冲击。

热量由活塞顶壁面传给活塞各部，并通过活塞环传给冷却介质。

利用冷却介质的目的就是为降低活塞温度，使活塞在可承受温度范围内工作。

然而要判断冷却效果是否满足要求，最终要对对活塞的温度场进行计算。

4.1 有限元网格图4.1活塞温度场网格模型如上图所示，此活塞的燃烧室位于活塞的中央，从几何形状上基本属于对称结构。

划分网格时，要注意网格的数量和疏密，其基本原则是：1) 网格数量：网格数量增加, 会提高计算精度,但同时也会加大计算规模,所以在确定网格数量时应综合权衡考虑。

网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高,而计算时间不会有大的增加。

当网格数量增加到一定程度后,再继续增加网格时精度提高甚微,而计算时间却有大幅度增加。

所以应注意控制网格数量。

实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果,如果两次计算结果相差较大,可以继续增加网格,相反则停止计算。

本次网格划分通过试算确定网格规模为406145个四面体十节点单元，516064个节点数。

2) 网格疏密：网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格,这是为了适应计算数据的分布特点。

在计算数据变化梯度较大的部位,为了较好地反映数据变化规律,需要采用比较密集的网格。

而在计算数据变化梯度较小的部位,为减小模型规模,则应划分相对稀疏的网格。

这样,整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。

本次网格划分先通过试算，确定了部分应力集中区域，然后对这些区域进行了重点加密处理，其他部位则采用稀疏网格，网格模型如图4.1所示。

4.2 热边界条件利用有限元法求解活塞的温度场一般情况下釆用第三类边界条件，即已知活塞边界上的温度条件和传热系数。

然而由于实验手段的限制，很难获得活塞边界上的准确的温度值和传热系数，因而很难保证结果的正确性。

为此，在确定边界条件时，一般采用经验或半经验的公式计算来获得活塞顶部、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。

第三类边界条件在这里是指活塞表面分别与高温燃气和冷却介质之间的对流换热系数、高温燃气及冷却介质的平均温度。

影响换热系数的因素相当多，主要有燃烧方式、气体速度、气体的温度和压力、几何尺寸、不同位置和冷却方式等。

由于边界参数的复杂性，测试起来比较困难，通常是按经验的或半经验的公式来决定。

4.3额定工况输出结果图4.2活塞温度场由图可看出，活塞整体温度分布不均匀，最高温度为569.2K（296.2℃），最低温度为402K（129℃），最高温度与最低温度相差约167K。

活塞高温区主要集中在燃烧室喉口以及活塞头部，温度是从活塞头部到裙部下缘逐渐降低。

图4.3活塞顶面温度场分布活塞顶面不同区域温度差别不大。

燃烧室温度分布趋势是：燃烧室中心到凹坑边缘先降后升，在燃烧室边缘喉口达到最高值。

图4.4活塞中心切片活塞中心切片上温度场分布结果如图4.4所示，由图可以看出，活塞总体温度场分布层次清晰，温度沿轴向呈下降趋势，高温区域主要分布在燃烧室喉口附近。

因为喉口边缘是燃气的高速区，故燃烧室喉口温度较高。

燃烧室底圈温度低，而周面和中心凸台温度较高，有三个原因：首先，由于燃烧室底部空气量不充足，燃油雾化不好，燃烧不充分，冷燃油的快速喷射对燃烧室底部进行了冷却；其次，底圈与活塞内腔的厚度较小，传热路线短，而凸台与内腔厚度较大，传热路线较长，最后，虽然燃烧室中心凸台是气流低速区，但是受到热辐射很强，燃烧室周面是气流高速区，又受到强烈的挤流冲蚀。

所以周面和凸台的温度要高于底圈。

表4.1温度场的分布(单位/℃)5、活塞热-机耦合计算内燃机朝着高功率和高转速方向发展，必然会造成活塞热负荷和机械负荷的增加。

不过对于活塞的应力分析中，仅考虑机械负荷或是热负荷都是不够的，活塞的应力应该是活塞在热负荷和机械负荷下的综合应力。

发动机在工作过程中，作用在活塞上的机械力边界条件有燃气爆发压力、活塞惯性力、摩擦力，销座孔内表面的支反力以及缸壁对裙部的侧压力。

分析发动机活塞的工作过程可知，当燃气爆发压力达到最大且在稳定转速下，活塞受力和变形都是最严重的时刻，此刻活塞的强度问题就显得特别突出，因此，对活塞机械负荷的研究选择在燃气爆发压力最大的工况进行。

5.1网格模型应力场计算网格模型如图5.1所示,用于施加约束。

图5.1应力场计算模型5.2 活塞机械负荷边界条件活塞热机耦合分析中，为减少边界条件的误差在活塞有限元模型上加入活塞销来计算活塞的耦合应力。