发动机机体的温度场分析.

作者简介：发动机机体的温度场分析【摘要】利用CA TIA 建立发动机机体模型，将简化后的机体三维模型导入Hypermesh ，得到有限元模型。

将机体的温度场作为稳定温度场处理，利用A VL-Boost 模拟出缸内气体的温度和换热系数，分段确定气缸壁的温度边界条件，根据已有经验公式求出缸体外壁、曲轴箱内壁以及机体与连接件间的温度边界条件，同时根据经验估算水套内的换热系数和温度，将这些温度边界条件施加到机体的表面上。

最后，应用有限元软件MSC.MARC 对机体进行温度场分析，得到了机体的温度场分布。

【关键词】机体，换热系数，温度场，边界条件，有限元Thermal Field Analysis of the Engine Cylinder BlockAbstract: In order to obtain the thermal field of the cylinder block, a 3D model created in CATIA was simplified before put into Hypermesh to get the FEA model. Then the thermal and heat exchange condition were calculated through operation process modeling based on A VL-Boost. Taking the thermal distribution as steady one and dividing the thermal condition of cylinder wall into parts, the overall thermal boundary conditions, including the outboard cylinder wall, crankcase inner wall and the one between cylinder and linker were presented, according to the experimental formulas. Meanwhile, the exchange coefficient and temperature distribution were given aiming at adding them to the surface of cylinder block. In the end, the total thermal distribution of cylinder block was finished by means of applying the MSC.MARC to analyze the thermal field.Key words: Cylinder Block, Heat Exchange Coefficient, Thermal Field, Boundary Condition, FEA1 引言近年来，随着计算机技术的迅速发展，特别是有限元方法和分析软件的日益成熟，在发动机研制开发工作中对零件进行有限元分析己成为辅助设计的重要手段。

发动机内，燃料的燃烧使发动机燃烧室周围的零部件都受到加热，使其工作温度升高。

承受高温负荷的这些零件，有可能产生蠕变、热疲劳等热故障，妨碍发动机长期可靠的工作，或者成为进一步提高发动机性能指标的障碍。

特别是对那些强化度高的发动机来说，热负荷、热强度问题，已经成为能否研制成功或能否正常可靠运行的关键问题之一。

零部件的热强度，取决于它所承受的热负荷的高低及承受这种热负荷的能力。

前者主要取决于该零部件的温度水平及温度分布；后者则主要与零部件所选用的材料特性有关。

温度水平相对于温度分布可以认为是客观不可变因素，因此对受热零部件进行温度场研究具有实际意义。

本文用有限元软件MSC.MARC 模拟机体的温度场分布，对改进机体设计、提高内燃机的性能与可靠性具有重要的意义。

2 有限元模型的建立本文的分析对象机体源于某汽油机。

该机为一款直列四缸四冲程汽油机，排量为0.997L ，气缸直径69mm ，活塞行程66.5mm ，压缩比10:1，发火顺序为1-3-4-2，发火间隔角为︒=︒1804720，最大功率52kW ，最大功率时的转速6000rpm 。

本文在6000rpm 的工况下进行分析。

首先建立机体的三维实体模型。

采用大型CAD 软件CA TIA 来建立完整的机体模型。

建好的机体三维实体模型如图1所示。

图1 发动机机体三维几何模型由图1可以看出，发动机机体的结构非常复杂，建立有限元模型时，必须根据有限元分析的需要对机体进行必要的简化。

简化时，根据分析需要，考虑一些起主导作用的因素来建立机体的简化模型。

实体模型的简化主要包括以下几个方面：（1）忽略了一些局部结构。

综合考虑机体结构的特点和计算机的计算能力，可以对安装机体附件用的凸台、小的螺栓孔、油道、油孔等对整体特性影响较小的局部结构予以忽略。

（2）简化局部结构的一些细节。

如忽略缸体上的一些铸造圆角，但对机体内部横隔板上的局部加强筋、凹槽等以及结构结合处的圆角、倒角等细节不能简化，这些细小的结构对于应力的分布影响比较大，这些局部结构细节一定要考虑。

（3）螺栓孔的处理。

在实际工作中由于装上螺栓后局部刚度得以加强，所以在机体变形、应力分析的时候可以忽略较小的孔型结构，保留的螺栓孔采用圆孔进行替代，如缸盖螺栓孔。

（4）对每个部分又根据其形状特点进行少量简化，以方便划分有限元网格。

将简化后的机体三维模型以IGS 的格式导入Hypermesh ，手动划分网格。

为了提高计算效率，采用三维四节点四面体进行划分网格，得到的有限元模型如图2所示。

划分好的有限元模型的网格数为191492，节点数为58177。

图2 机体有限元模型3 温度边界条件进行温度场的计算，合理的给出传热边界条件是保证计算可靠的关键，机体模型内部的温度分布极为复杂，为了使传热边界条件的选取更接近于实际情况，通常通过实测的表面温度来反复修正边界条件[1]。

本文机体的温度边界为第三类边界条件，换热系数和介质温度根据A VL-Boost 软件仿真分析和经验公式计算结果估计。

确定换热边界条件，主要是确定各边界与燃气、冷却水、冷却油、曲轴箱内油雾以及自由环境之间的换热系数和相应温度。

第三类边界条件下传热方程为：2222220T T Tx y z ∂∂∂++=∂∂∂ （1） ()fssT T T nα∂-=-∂ （2）对应的泛涵公式为：()22222j v s T T T J dxdydz T T T ds x y z λα⎧⎫⎡⎤⎛⎫∂∂∂⎪⎪⎛⎫⎛⎫=+++-⎢⎥⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭⎰⎰ （3） 式中： λ为导热系数，W/( m 2·K)；α为对流换热系数W/( m 2·K)；f T 为环境温度；S 为机体边界。

划分单元的泛函表达为：()22222cf vc scT T T J dxdydz T T T ds x y z λα⎧⎫⎡⎤⎛⎫∂∂∂⎪⎪⎛⎫⎛⎫=+++-⎢⎥⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭⎰⎰ （4） 总泛函为：()22222f vc sc c T T T J dxdydz T T T ds x y z λα⎧⎫⎡⎤⎛⎫∂∂∂⎪⎪⎛⎫⎛⎫=+++-⎢⎥⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎪⎪⎣⎦⎩⎭∑⎰⎰ （5）泛函取极值的条件为：0c c i iJ JT T ∂∂==∂∂∑ （6） 其中：I ＝1，2，3，…，NJ C 为单元与整体边界重合部分，N 为节点总数。

3.1 缸内气体的换热系数的确定发动机在稳定工况下，燃气对燃烧室内壁的放热系数是随时间和空间变化的，但对于每一个工作循环，是周期性的变化。

基于这个事实，可以用式（7）计算在一个循环内燃气向单位燃烧室壁面的换热量，即2,01(),/g g w s q t t d W m ταττ=-⎰ （7）式中0τ—一个工作循环的周期，s ；g α—燃气的瞬时放热系数，)(1ταf g =,W/( m 2·K)g t —燃气的瞬时温度，),(2τf t g = Ks w t ,—燃气侧燃烧壁的瞬时温度，K式（7）也可以写成,00011g g g w s q t d t d ττατατττ=-⎰⎰（8）很多试验结果表明，燃气侧燃烧室壁面的温度随时间变化的幅度很小，可以近似作为常数，则式（8）变为00000,00000,000111g g w sgg g g w s g q t d t d t d d t d ττττταταττταταττατ=-⎧⎫⎪⎪=-⎨⎬⎪⎪⎩⎭⎰⎰⎰⎰⎰ （9）把式（9）与牛顿-黎赫曼换热公式比较得到： 燃气的平均放热系数为,01g m g d τααττ=⎰（10）燃气的平均结果温度为()*0,,0g g g gmg m g mgt d t t d ττατααατ==⎰⎰ （11）定义燃气的平均温度为,01g m g t t d τττ=⎰（12）上面三式下脚标m 是指一个工作循环内的平均值。

式（9）则可以写成*,,,,,,()()g g m g m w s g m g m w s g m t q t t t αααα⎡⎤=-=-⎢⎥⎢⎥⎣⎦（13） 式（13）即一个循环内燃气向单位燃烧室壁面换热量的计算公式。

但应当指出，燃气的平均结果温度*,m g t 与燃气的平均温度m g t ,是不一样的，燃气的平均结果温度是在这样的条件下求出的，即在每一个循环时间0τ内，在不定常的换热情况下，每单位表面积所传递的热量等于稳定换热情况下每单位表面积所传递的热量。

不难看出，平均结果温度即相当于稳定换热时的气体温度。

至于燃气的瞬时放热系数g α的计算，目前计算公式很多，差异较大，本文利用A VL-Boost 软件模拟出瞬时对流换热系数和缸内燃气瞬时温度，如图3所示。

缸内气体温度 缸内气体换热系数图3 缸内气体温度边界条件3.2 气缸壁换热系数的分布对于行程高度范围内任一位置的缸壁内表面总受热量包含如下 3个部分： ①燃气以对流、辐射的方式直接传入热量； ②燃气通过活塞侧面传入热量；③活塞与气缸壁摩擦传入热量的部分。

发动机缸体内表面稳态传热边界条件下轴向高度上有如下的分布规律[1]：1()(0)(1)m m h k e ααε=+（14）2()(0)(1)res res T h T k e =+（15）式中/(01)h s εε=≤≤，0.2410.573()k S D =，211.45k k =h —气缸内壁轴向距气缸顶部的距离，m ；(0)m α—发动机工作循环中燃气的平均放热系数，W/( m 2·K)； (0)res T —发动机工作循环中燃气的平均温度，K 。