发动机活塞温度场分析流程
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。
活塞热分析
活塞热分析活塞是内燃机中的重要零部件，工作过程中承受周期性的强烈热负荷作用，工作条件极其恶劣，其性能的好坏直接影响整机的性能。
在正常工况下，活塞一般能够保持较为良好的工作状态，但在特殊工况下，如冷却不良、超负荷运转等，则会出现局部温度过高的现象，实践证明，活塞长时间在超负荷高温下运行，首先会引起材料强度降低，而材料强度的降低则意味着机件在长期工作中会出现永久变形、断裂以至局部发生烧伤，进而导致整机的故障，大大影响了整机的可靠性、耐久性。
近几年来，随着内燃机在强化程度和热负荷水平上的大幅度提高，由于特殊工况，而导致的热负荷问题更加突出。
如何正确模拟内燃机的特殊工况，准确计算活塞的温度场是解决这个问题的关键。
目前复杂零部件热负荷分析中，大多采用有限元分析方法。
由于活塞结构及边界条件复杂，所以在有限元计算中，任何参数的改变均会带来不必要的重复工作。
以COSMOS/ M 有限元程序语言为基础，编制了活塞参数化有限元计算程序，并运用Delphi 语言编制了相应的数据接口，通过输入参数值的变化来模拟冷却不良及超负荷运转等特殊工况，进而对活塞的温度场和热变形进行计算分析，大大提高了多工况下活塞热负荷分析的效率，为活塞的多工况热负荷故障仿真提供了一种高效的分析方法。
1 基于活塞热负荷的参数化三维有限元计算程序1. 1 参数化有限元模型有限元分析软件在绘图、运算命令中引入参数，通过参数实现与外界程序、数据库的有效连接，扩展了有限元计算程序的应用范围，使其具有更强的可扩充性，为建立专业有限元参数化分析模型提供了操作平台，成为复杂零部件优化设计分析的有力工具。
参数化有限元程序语言主要由参数定义赋值语句、数学运算操作语句、程序流程控制语句、参数化绘图语句、物性参数设置语句、边界条件设置语句、分析设置及执行语句组成。
运用参数化有限元模型不仅能对具体尺寸的复杂零部件进行数值分析，而且可以通过参数接口对某一结构类型的零部件模型进行变参数的数值计算。
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
随着柴油机技术的发展，薄膜强度、尺寸精度、耐热性是柴油机活塞的关键技术。
活
塞的尺寸太大或太厚，会大大降低发动机性能；反之，活塞太薄和太小，活塞很容易损坏。
因此，对柴油机活塞的温度场的研究是提高柴油机效率的重要工作之一。
传统试验方法受制于仪器和材料的限制，往往无法准确地反映内部结构的温度场，因
此建立一种基于有限元分析的研究方法变得尤为重要。
本文提出了基于有限元分析的温度
场研究方法，将柴油机活塞温度场试验与有限元分析相结合，以研究不同参数和模型的温
度分布和温度场变化趋势。
本文首先给出了柴油机活塞的图示和几何尺寸，接着给出了活塞的实际试验参数，包括：外圈直径、内圈直径，等径椭圆孔的长短轴长度均等；活塞的材料为超级钢；同时设
定加热方式，用燃烧于环境的方式代替实际目标发动机实际运行情况来模拟。
进一步，本
文利用有限元分析方法仿真活塞温度场，根据参数计算出温度场不同元件分布的各部分值。
最后，本文通过对实验结果进行讨论，对柴油机活塞的温度场变化进行分析，发现活
塞的各个部分的温度分布和温度场变化趋势，以供今后参考。
经过本文的实验研究，不仅说明了有限元分析在模拟柴油机活塞温度场变化方面具有
良好的效果，还为今后柴油机活塞优化设计提供了重要的研究参考意义。
将有限元热分析
和实验室试验相结合，加深了活塞温度场研究的深度和广度，也提供了一种新的方法来研
究活塞的热性能及内部温度场的变化，为今后的试验提供参考。
发动机活塞温度场、热应力与热变形仿真分析
Ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｅ ｄ Ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ［ Ｊ ］ ． Ａｃ ｔ ａ Ｍｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ｇ ｉ ｃ ａ Ｓ ｉ ｎ ｉ ｃ ａ ， ２ ０ ０ ５ ， １ ８ （ ６ ） ： ７ ５ ６ — ７ ６ ２ ．
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［ ５ 】Ｄａ ｖ ｉ ｓ ． Ａ ｌ ｍ ｉ ｕ ｎ ｍ ｕ ａ ｎ ｄ Ａｌ ｍ ｉ ｕ ｎ ｍ ｕ Ａｌ ｌ ｏ ｙ ｓ ． Ｍｅ ｔ ａ ｌ ｓ Ｐ Ａ Ｒｋ ． Ｏ Ｈ： ＡＳ Ｍ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｌ ， １ ９ ９ ３ ． ２ ０ ０ ． ［ ６ 】Ｃ ＨＥ Ｎ Ｙ ｏ ｎ ｇ ｌ ｕ ， Ｆ Ｕ Ｇａ ｏ ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ， Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｗｅ ｎ ｚ ｈ ｅ ． Ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｍｅ ｌ ｔ － ｒ ｔ ｅ ａ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｎ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ａ ｌ ｍ ｉ ｕ ｎ ｍ ｕ ｓ ｈ ｅ ｅ ｔ ｕ ｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ
速率区。
条件下，最大功率耗散率为 ３ ９ ． ２ ８ ％。 热变形组织 Байду номын сангаас的实际观察结果与热加工 图的理论计算结果相吻
合 ，表 明基 于 ＤＭＭ 模 型 的热 加工 图用 于分析 预 测材 料 的 失稳 区 、最佳 加 工 区是 可靠 的 ，可 实现
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重要的内燃机，其工作时在活塞上产生的温度场是影响其运行性能的重要因素。
因此了解柴油机活塞温度场及其温度分布对提高柴油机性能具有重要意义。
近年来，在研究该活塞温度场领域，越来越多的实验技术和数值分析方法相结合。
本文将介绍一种全新的柴油机活塞温度场实验研究方法，并结合有限元热分析方法进行模拟分析，以期获得更加准确的数据。
首先，本文介绍柴油机活塞温度场实验研究方法，该方法可通过一具柴油机发动机的拆卸重新安装、采用特殊的热湿度测量仪和优化安装位置测量活塞表面温度，从而实现对柴油机活塞温度场分布的研究。
通过重新安装发动机，采用热湿度测量仪和优化安装位置测量活塞表面温度，可以在不影响发动机正常运行的情况下，通过监测柴油机活塞表面的温度变化，详细研究出柴油机分块工作过程中活塞温度分布及其变化规律，从而对有效的提高柴油机性能具有重要的意义。
其次，本文将介绍有限元热分析方法，这是一种有效的数值方法，可用于研究柴油机活塞表面温度场分布及其变化规律。
该分析方法主要针对柴油机微细结构，可以准确捕捉柴油机活塞温度分布，并可进一步预测活塞表面温度分布、高温部分温度与时间的变化规律。
在此基础上，准确分析柴油机表面温度场，可以有效减少柴油机热损耗，提高柴油机效率。
最后，本文指出，柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析方法是有效提高柴油机性能的重要手段，它不仅可以准确捕捉柴油机活塞温度分布，同时可以针对柴油机活塞表面温度场分布及其变化规律，采取有效措施提升柴油机性能。
如此，可有效保证柴油机正常工作。
综上，柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析方法是一种有效的提高柴油机性能的重要方法，且广泛应用于柴油机的技术研究与改进中，具有重要的现实意义。
以上就是本文关于柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析的全部内容，其研究方法和数值分析方法可以有效获得更准确的数据，从而准确研究柴油机活塞温度场分布及其变化，可有效提升柴油机性能，实现柴油机正常工作，从而具有重要的现实意义。
航空发动机燃烧室瞬态温度场分析与优化设计
航空发动机燃烧室瞬态温度场分析与优化设计航空发动机燃烧室作为航空发动机的核心部件之一，其温度场的分析和优化设计对于发动机的性能和寿命具有重要影响。
本文将针对航空发动机燃烧室瞬态温度场进行分析和优化设计。
首先，我们需要了解航空发动机燃烧室的工作原理。
燃烧室是将燃料和空气混合并进行燃烧的空间，是将化学能转化为热能的关键部分。
同时，燃烧室还负责将燃烧产生的高温气体转化为喷向涡轮的高速气流。
在燃烧室的工作过程中，燃料和空气的混合、点火和燃烧产生了大量热量，导致燃烧室温度升高。
燃烧室壁面则需要承受高温气体的冲击和传导，因此其表面温度也会升高。
这样的高温环境对于燃烧室材料和结构的选择以及冷却系统的设计都提出了严峻挑战。
为了分析和优化设计航空发动机燃烧室的瞬态温度场，我们可以采用数值模拟方法。
数值模拟方法通过建立数学模型和计算算法，模拟燃烧室内的流体运动和能量传输过程。
其中，瞬态温度场分析的主要步骤包括几何建模、边界条件设置、物理模型建立、计算网格划分和数值求解。
几何建模是瞬态温度场分析的第一步，它要求准确地描述燃烧室的形状和结构。
各个零部件的几何参数、通道的位置和大小都需要被精确地建模。
这样的几何模型可以通过计算机辅助设计软件进行创建，并根据实际情况进行调整和优化。
边界条件的设置是瞬态温度场分析的关键步骤。
边界条件包括燃烧室的进口和出口边界条件、壁面的热边界条件以及其他可能影响温度场的边界条件。
这些边界条件需要准确地反映实际工况和工艺参数，以便获得可靠的分析结果。
物理模型建立是瞬态温度场分析的核心步骤。
物理模型包括流场模型和热传导模型。
流场模型描述燃烧室内气体的流动特性，可以采用雷诺平均Navier-Stokes方程和湍流模型进行求解。
热传导模型描述燃烧室壁面和燃气之间的能量传递，可以采用热传导方程进行求解。
同时，还需要考虑燃烧过程中产生的辐射热传递。
计算网格的划分是瞬态温度场分析的关键步骤。
计算网格需要根据物理模型和几何模型进行合理的划分，以确保计算精度和计算效率。
发动机缸体模态、刚度、温度分析
1.问题描述：对188MQ水冷缸体进行校核，考察是否满足设计要求.2.问题分析：主要是分析缸体的模态、温度场、热应力、热变形和刚度。
3.缸体分析过程：3.1自由模态计算分析建立有限元模型，采用3mm网格尺寸。
缸体材料属性：铝合金弹性模量取72000，泊松比取0.3，密度为2.7e-9T/mm3。
对1~12000Hz频率的模态进行计算。
自由模态计算结果前四阶模态2183Hz 2849Hz3062Hz 3344Hz4010Hz由上述可知缸套在特定的频率内无局部振型，缸套头部出现的振型在施加螺栓预紧力后可消除。
3.2温度场计算3.2.1边界条件缸体的热传导系数取163W/m*k，比热为900J/（kg0C）；水的热传导系数取1500W/m*k；机油温度400K，环境温度300K。
边界条件如下所示：在燃烧室位置施加2625.14°的一个周期气缸等效温度值，温度施加如下：3.2.2温度场计算结果缸体计算结果，最高温度485K由分析结果可知：温度场分布均匀，小于设计要求最高温度550K满足要求。
3.3热应力计算边界条件导入温度场的计算结果和对缸套顶部施加一个轴向和径向的约束，如下图所示; 计算结果由计算结果可知:缸套的热应力为164.4Mpa ，小于设计要求300Mpa。
3.4热变形计算由计算结果可知：左右11.8+10.3=22.1S,前后10.0+10.3=20.3S,变形差22.1-20.3=1.8S，缸套的径向热变形差小于4S。
满足设计要求。
3.5螺栓预紧力下刚度分析3.5.1密封性分析参考标准计算值结论缸体下端面>1Mpa 15.3Mpa 合格3.5.2缸套变形分析左右1.91-0.45=1.46S ,前后1.15-0.18=0.97S,变形差1.46-0.97=0.49S小于2S，满足要求。
3.5.3缸体侧压力分析缸体底面约束3个方向自由度，在活塞位置施加气缸体侧压力5200.2N。
船用柴油机活塞温度场边界条件分析研究与验证
以努 塞 尔 特 （ Ｎ ｕ ｓ ｓ ｅ ｈ ） 公 式 为基 础 的基 本 公
式 年代 相对 更 为久远 。由于 当时试 验条 件 、测试 手 段 的制 约 ，再加 上 当时 内燃机 的性 能 指标 、燃烧 组 织 方式 等跟 如今 的 内燃机 有很 大差 异 ，所 以该公 式 已不能 完全 适合 现代 柴油 机 。 以相 似准则 数 为基础 的基本公 式 相对第 一 类公 式 发 展得 较 晚 ，当时试验 条件 、测 试手 段都 已有 了 较 大改 善 ，这使 得 公式 的适 用性有 了提高 。该类 公 式按 相 似准 则将 管道 中的对流 换热 应用 到 内燃机 气 缸 中 ，它们 都反 映 了几何 尺 寸 的影 响 因素 。经 对 比 分析 ，沃希 尼 （ Ｗｏ ｓ ｃ ｈ ｎ ｉ ） 公 式 的试 验 研 究 机 型 与 中速 柴油机 类似 ，因此 ，可选 择该 公式 用 于典 型 中 速 柴 油机 活塞换 热 系数 的试算 Ｊ 。
１ ． ２ 平均 换热 系数
图１ Ｓ ｅ ａ ｌ 公 式 计 算 标 尺 图
由以上可 知 ，活塞顶 温 度场换 热边 界条 件极 其 复杂 ，同时 由于 受 到 活 塞 结 构 形 式 、尺 寸 等 的 影 响 ，活塞顶 面换 热 系数 的分 布规律 也各 异 ， 目前 没
在 柴油 机 的工作 循环 过程 中 ，气缸 内的换 热是 对 流放 热 和 辐 射 放 热 综 合 作 用并 周期 性 变 化 的 过 程 ，对 于某 一稳 定 工况 ，其换 热 量也 是周期 性 变化 的 。在 对 缸 内传 热 的研究 中 ，示 功 图计算 法是 常用
式 中 ：ｔ ｓ ：
ａ ｇ ｄ
ｏ
，为等效 燃气 温Байду номын сангаас 。
100_活塞温度场和强度分析_曾小春
活塞温度场和强度分析曾小春¹ 景国玺²（1.江铃汽车股份有限公司发动机开发部，南昌，3300012.浙江大学车辆工程研究所，杭州，310027）摘要：本文运用Altair HyperWorks软件，对某欧三柴油机开裂的活塞进行网格划分、温度场和热机耦合强度分析，得到在发动机典型工况下活塞的温度场分布和疲劳强度，根据分析结果来优化活塞设计，以解决活塞试验中开裂问题关键词：Altair HyperWorks 网格划分活塞温度场强度优化设计1 前言活塞是发动机将燃料燃烧释放出的热能转换为机械能的关键零件之一，它同时承受着发动机燃烧所产生的气体爆发压力、曲柄旋转运动而产生的往复惯性力、活塞在缸套中运动时缸壁对其裙部的侧推力以及活塞本身因吸收气体燃烧释放出的热能发生温度变化而产生的热应力等。
基于恶劣的工作环境和复杂的受力状况，活塞易失效（如下在耐久试验过程中活塞进排气侧出现开裂的实例），所以活塞的设计开发必须同时考虑传力、传热、导向、密封、轻量化和减摩耐磨等诸多因素，非常复杂。
图1 实物图图2 实物图2 活塞温度场分析与试验验证活塞在稳定工况时的热交换已达到平衡，此时活塞吸收的热量等于其释放的热量，因此，可简化为活塞温度稳定且无内热源的拉普拉斯方程求解(公式1)。
活塞温度场分析实质为活塞的热传导分析，在常见的热传导三类边界条件中，为简化计算量，一般采用第三类边界条件：定义边界上物体与周围流体间的换热系数及周围流体的温度t（公式2）。
式中，α为物体与周围流体间的换热系数，单位为W/(m2·K)；t为周围流体的温度，单位为K；λ(t) 为物体导热系数，单位为W/(m·K)，随温度而变化；Г为求解区域的放热外边界。
2.1 活塞温度场CAE分析流程图3 活塞温度场流程2.2 有限元模型建立计算网格：活塞有限元计算网格如图4所示，网格单元相关说明见表1。
图4 有限元分析网格表1 网格说明零部件单元类型节点数单元数活塞六面体/DC3D8114492 100547镶环六面体/DC3D84350 2700材料参数：材料参数见表2所示。
发动机活塞温度场仿真分析
ｏ， 因此 温度 场控 制方 程变 为 ：
， ｌ （
＋
＋
） 小 ］ ＋ｇ ＿（ ．
（ １ ）
式 中 ： 为导热系数 ； 为材料 的 比热 ， Ａ Ｃ 单位 Ｊ（ ｍ ； ／ ｋ・ ）
为温 度随 时问 的变 化率 。 ２ 边界 条件 。边 界 条件描 述 的是 温度场 在边 界上 ）
第三类边界条件 环境温度／Ｃ 。 换热 系数 Ｗ／ ２ ） （ ． ｍ Ｋ
６０ ５ ｌＯ ８ ｌＯ ８ ４９ ８ ９ ０ ２０ ５
Ｉ上下面
』 底面
裙部 主 销 孑 Ｌ 内油 道 Ｉ 上部
１０ ６
１０ ６
１０ ４ １０ ４ ９ ０ ９ ０
３０ ８
２０ ７
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ０ ２ １－ ４ ２
活塞 顶部 与燃 气接 触 ， 为强 制对流 换热 ， 活塞 在 且 不 同部 位 和燃 气 在不 同 的温度 下 换 热 系数 是 不 同 的 ， 燃气最高温度一般在 １ ０ ～ ０。 。平均换热系数 ０ ２０ Ｃ ８ ５ 考虑了活塞在不 同部位有不同的系数以及热辐射情况 下 的热量传递 ， 取对流换热 的平均表面换热系数和平 均燃气温度 ， 分别为 ４ ９ （。Ｋ 和 ６０。 。活塞的 ８ ｍ ・ １ ５ Ｃ Ｗ／
、 （ ２ ）
（ ３ ）
２ 算 例 由于发 动机 在长 时 间停 机 状态后 启 动时 整机 的初 始 温度 会 由环境 温 度 所决 定 ， 且 机 体零 件 的 温度 可 并 以认 为和 环 境温 度 相 一致 。 由于初 始 温 度差 异 大 ， 现 在取 比较 常 用 的三个 环境温 度值 作 为活 塞在启 动 工况 下的初始温度 ：５ Ｃ ０。 一７。 。润滑油 的初始温 ２ 。 、 Ｃ、 Ｃ 度与环境温度也相一致 。
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油机活塞温度场是一种螺旋型非特殊形状结构，其表面温度分布是动力实验中重要的参数。
由于非特殊形状，柴油机活塞的温度场的处理比较困难，采用传统的实验方法，测得的结果只是空间瞬态参数，且测量精度较差，难以反映柴油机活塞的全局温度场的变化规律。
因此，本文采用试验-数值结合的方法，进行柴油机活塞温度场的测量研究，将试验结果和有限元热分析进行比较，以揭示柴油机活塞温度场变化规律。
首先，在柴油机试验台上，测量了具有特定温度场特征的柴油机活塞4孔和4孔2缸普通活塞的温度场。
采用热金属膜传感器对活塞的表面温度进行测量，在发动机工作状态下连续测量活塞温度。
通过活塞工作过程的温度变化特征，可以得出空间瞬态温度场参数，包括最高温度、最低温度、温度梯度和涡流温度。
接着，采用有限元热分析，构建柴油机活塞温度场模型，研究了活塞温度场的变化规律。
为了得到更准确的结果，采用CFD模拟，优化柴油机活塞温度场模型，以准确反映物体表面的温度场变化。
最后，分别对柴油机活塞4孔和4孔2缸普通活塞温度场试验结果和有限元热分析结果进行比较，分析了该活塞温度场变化规律，得到了较准确的柴油机活塞温度场参数。
综上所述，本文采用试验-数值结合的方法，研究了柴油机活塞温度场的变化，可以准确反映活塞温度场的变化特征。
本研究成果可以为柴油机活塞应力分析、热发动机设计和优化提供重要参考。
此外，本文的研究方法也可以被应用在其他柴油机部件，如缸盖、连杆、折杆等，以进行更精确的温度场测量研究。
以上是本文关于《柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析》的介绍，以及对该领域的相关研究和发展趋势的介绍。
通过本文的研究，可以为柴油机活塞应力分析、热发动机设计和优化提供重要参考，从而实现柴油机活塞的高效运行。
发动机活塞热分析
摘要零部件的热负荷是发动机进一步强化受到限制的主要因素之一，直接影响到发动机的耐久性、可靠性和经济性，因此在设计发动机时，计算零件的热负荷，考虑影响热负荷的因素，是一个十分重要的问题。
通过准确的对发动机活塞的热负荷分析可以改善活塞的换热条件，避免因热负荷造成的破坏提供基本的分析依据。
因此,对活塞进行理论研究和有限元分析具有重要意义和实用价值。
关键词：活塞、热负荷、有限元分析ABSTRACParts of the engine heat load further strengthen one of the main factors is restricted, directly affects engine durability, reliability and economy, and therefore in the design of the engine, the heat load calculation parts, considering factors affecting the thermal load, is a very important issue. Heat load through accurate analysis engine piston can improve heat transfer conditions, to avoid damage caused by the heat load to provide basic analytical basis. Therefore, the piston and finite element analysis theory significance and practical value. Key words:piston,, analysis theory目录1 绪论--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------11.1研究背景及意义---------------------------------------------------------------------------------------------11.2国内外研究现状---------------------------------------------------------------------------------------------11.3本文研究内容------------------------------------------------------------------------------------------------1 2发动机活塞失效分析与实验调研---------------------------------------------------------------------22.1 发动机活塞失效分析-------------------------------------------------------------------------------------22.2 发动机活塞热分析实验调研---------------------------------------------------------------------------22.3 内容总结------------------------------------------------------------------------------------------------------2 3活塞的测绘与三维模型的建立-------------------------------------------------------------------------43.1活塞几何尺寸测量与二维图绘制---------------------------------------------------------------------23.2活塞三维模型的建立--------------------------------------------------------------------------------------23.3 内容总结------------------------------------------------------------------------------------------------------24 发动机活塞热分析--------------------------------------------------------------------------------------------44.1温度场分析的有限元理论基础------------------------------------------------------------------------24.2活塞有限元模型的建立与边界条件的确定-------------------------------------------------------24.3活塞温度场有限元分析----------------------------------------------------------------------------------24.4内容总结------------------------------------------------------------------------------------------------------2 5结论--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4 参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 致谢------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------61 绪论活塞是发动机中处在非常不利的条件下工作的一个重要零件。
ANSYS活塞温度场分析全过程
目录1 概述------------------------------------------ 22 CATIA建模过程--------------------------------- 33 ANSYS分析过程------------------------------- 104 结果分析-----------------------------------------145 参考文献--------------------------------------- 151.概述1.16125柴油机活塞基本条件：缸径D=125mm，6缸。
活塞是发动机的重要部件之一，与连杆构成发动机的心脏，活塞通过运动将燃气压力传递给连杆再至曲轴输出，工作时受力非常复杂。
随着发动机向高速度、低能耗方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。
目前车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷材料等。
铝合金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动惯性，因此铝合金活塞常用于中、小缸径的中、高速发动机上。
与铸铁活塞相比，铝合金活塞导热性好，工作表面温度低，顶部的积碳也较少。
活塞由活塞顶、头部、群部构成。
活塞顶的形状分为平顶、凸顶、凹顶。
平顶活塞结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀、多用在汽油机上；凸顶活塞顶部突起成球状、顶部强度高、起导向作用、有利于改善换气过程。
凹顶活塞可改变可燃混合气的形成和燃烧，还可以调节压缩比。
活塞工作时温度很高，顶部可达600 ~700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受的气体压力很大，特别是作功行程压力最大，柴油机活塞顶燃烧最高压力5～9Mpa，这就使活塞产生冲击和侧压力的作用；根据活塞实际最大爆发压力工况添加边界条件，选用压力为5MPa便于做有限元分析，此方案采用w顶活塞，用于六缸发动机2.设计的初步准备：1．选好各个值的长度2．了解6125柴油机发动机3．学会catia软件建模4．学会ansys软件进行对模型的温度场分析5．了解发动机活塞的性能，并能做出正确分析2.活塞主要结构尺寸计算：2.1选定各个比例系数：D=125mmH: (0.8~1.3)*D 取 150 H1: (0.5~0.8)*D 取 80H2: (0.4~0.8)*D 取 100 h1: (0.1~0.2)*D 取 15h3: (0.3~0.4)* H2 取30h4: (0.6~0.7)* H2 取 70d: (0.3~0.38)*D 取 40C1: (0.04~0.08)*D 取5其他环岸: (0.025~ 0.045)*D 取 5B: (0.35~0.42)*D 取442.3设定其他参数：顶部厚度:15mm活塞度: 16mm3.活塞三维建模：1.首先打开catia软件，点击机械设计·草图绘制器·进入xy作平面进行绘制图3.1如图3 .1 绘制之后，退出草图工作平面2.然后点击回转体按钮，绕y方向短轴旋转360 ，，如图3-2,所示。
柴油机活塞温度场有限元分析
Internal Combustion Engine&Parts0引言随着发动机强化程度的不断提高，其零部件的热负荷将随之不断增大。
活塞作为发动机的主要受热件，由于具有受热面积大、散热条件差的特点，因而其热负荷问题最为严重。
它的结构对内燃机的可靠性、寿命、排放和经济性等诸多方面有着至关重要的影响。
如能求得活塞的温度场的数值解，将可为考虑热应力和热变形的活塞优化设计提供依据。
有限元数值模拟技术具有试验方法和理论解析方法无可比拟的优势，已经成为内燃机性能研究的重要手段。
本文以某型柴油机活塞为研究对象，进行了有限元模拟计算，得出了活塞在热负荷作用下的温度分布，为活塞的最优化设计提供了依据。
1有限元模型的建立1.1三维模型的建立要想得到比较精确的活塞温度场计算结果，首先要考虑到的是如何建立准确的几何模型。
由于实际活塞往往非常复杂，要建立和实际的活塞完全一样的三维几何模型是几乎不可能的，所以需要对几何模型进行如下的简化：①活塞在冷态时的结构是上小下大，火力岸处的直径是最小的，裙部是椭圆形的，在工作时，活塞由于受热应力和机械应力的作用，形成上下近似一致的圆柱体。
而裙部主要受侧压力作用，会发生弹性形变。
所以在建模时，把活塞简化成头部呈圆柱形，裙部呈椭圆形的模型。
②由于活塞销在温度场中不是主要的分析对象，所以在建立活塞模型时将其简化。
活塞销座上部的加强筋由双肋结构简化成单肋。
③实际活塞的油环槽处有回油孔，但由于油环传递的热量占活塞传热的比例比较小，所以在模型中没有开回油孔。
在处理活塞销座和活塞裙等部位的时候，尽可能恢复活塞的原始尺寸，以达到分析结果的相对准确性。
对于活塞的其它部位，在不影响分析结果的情况下可适当简化处理。
1.2活塞有限元网格的划分在三维几何模型建立以后必须进行网格划分，以有限个单元组成的集合体来代替原先的连续体进行研究。
为了能有效地逼近实际连续体，必须考虑选择单元的种类，确定单元的数目和剖分方案等问题。
柴油机活塞三维温度场数值计算与分析
计算 得 到活塞 的温度 场是 一种 获得 温度 场 的重 要 的 途 径 。但是 ， 针对 具体 型号 的柴油 机 ， 还 需要计 算其
活塞 的温度场 ， 并 以此 为基础 开展 热负荷 评价 。 １ ９ 的研 究 工作 以 １ ９ ５柴 油机 活 塞 为对 象 ， 开 展额 定 工
摘
要： 针对 柴油机 活塞 的热负荷 问题 ， 以１ ９ ５柴油机为研究 对象 ， 建立 了活塞温度 场的数学模 型和边 界条件 ，
进行 了额定工况下 １ ９ ５柴油机活塞温度场 的计算 ， 获得 了温度场 的数值分布 。计算结 果表 明，活塞顶部 的热 负 荷集 中在燃烧室 ， 最 高温度为 ３ ８ ２。 Ｃ ， 位于燃烧 室中心。燃烧 室下部温度较低 ， 背离活塞 中心侧 的外边缘 的温 度 也较低 ， 同时位于燃烧室排放 口的温度 也比较低 ， 而温度较高 的区域分布 于燃 烧室偏 离活塞 中心一侧 。由此 可 见， 活塞顶部的不 同区域温度分布还是 有比较大的差 异。活塞第 １ 环槽 最高温度 为 １ ５ ０℃ ， 活塞 的热负荷 在允
１ 活塞温度场数值计算 的传热学模型
柴 油机 工作 时气缸 内气 体 的温度 与压力 都是 随 着 曲轴 转 角而变 化 的 ， 但 由 于这 种 温度 变 化 的频率 很高 ， 与发 动机 转速成 正 比 ， 并且 仅仅 在受燃 气 冲击 的活 塞表 面几毫 米 薄 层是 变 化 的 ， 温 度 变化 的振 幅 较小 。因而在柴 油 机稳 定 工 况 下 ， 活 塞 的 热传 导 可
以看做 是 准稳态 导热 。对 于额定 工况 下 的 １ ９ ５柴 油
汽车活塞实验报告
1. 了解汽车活塞的结构和功能；2. 掌握汽车活塞的工作原理；3. 分析活塞在不同工况下的受力情况；4. 研究活塞的耐磨性及性能指标。
二、实验原理汽车活塞是发动机中重要的部件之一，其主要作用是将燃烧产生的热能转化为机械能，推动曲轴旋转，从而驱动汽车行驶。
活塞在发动机内承受着高温、高压和高速运动的恶劣工况，因此对活塞的材料、结构及性能提出了很高的要求。
本实验通过对汽车活塞进行理论分析、实验测量和数据分析，研究活塞在不同工况下的受力情况、耐磨性及性能指标，为活塞的设计与优化提供理论依据。
三、实验设备与材料1. 实验设备：（1）汽车活塞实验台；（2）压力传感器；（3）转速传感器；（4）数据采集器；（5）电脑；（6）实验工具。
2. 实验材料：（1）汽车活塞；（2）活塞环；（3）机油；（4）汽油。
1. 实验前准备：（1）检查实验设备是否完好，确保实验安全；（2）熟悉实验步骤和注意事项；（3）将活塞安装在实验台上，调整好位置。
2. 实验测量：（1）将活塞置于实验台上，启动发动机，调节转速至设定值；（2）启动数据采集器，记录活塞在不同工况下的压力、转速和温度数据；（3）重复实验，获取多组数据。
3. 数据分析：（1）对实验数据进行整理，分析活塞在不同工况下的受力情况；（2）计算活塞的耐磨性及性能指标；（3）对比不同活塞材料的性能差异。
五、实验结果与分析1. 活塞受力分析实验结果表明，活塞在发动机运行过程中承受着高温、高压和高速运动的恶劣工况。
活塞顶部受到燃烧气体的压力，活塞环受到燃气侧和机油侧的压力，活塞裙部受到曲轴连杆的拉力。
2. 活塞耐磨性分析实验结果表明，活塞在不同工况下的耐磨性存在差异。
活塞材料对耐磨性影响较大，一般而言，高硬度、高耐磨性的材料有利于提高活塞的耐磨性。
3. 活塞性能指标分析实验结果表明，活塞在不同工况下的性能指标存在差异。
活塞的热膨胀系数、热导率、强度和刚度等性能指标对活塞性能有较大影响。
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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.K
2 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 cond
conv f w wf
T 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。
图3.1 缸内CFD模型
图3.2 进气道入口流量和温度
图3.3 排气道出口静压
图3.4 各壁面温度示意
3.2 活塞冷却CFD计算
对于活塞内腔及机油冷却油道的热边界条件，有以下几种获取方式：
1) 利用经验公式估算，如图2.2中的公式所示；
2) 通过曲轴箱系统CFD计算得到，其模型如图3.5所示，其中涉及运动边界（动网格）
和多相流（空气和润滑油）；
3) 通过单缸曲轴箱系统CFD计算，其模型如图3.6所示，同样涉及运动边界和多相流。
图3.5整体曲轴箱系统CFD模型
图3.6单缸曲轴箱系统CFD模型
3.3 映射热边界
首先划分活塞网格，可划分为一阶、二阶四面体，也可以划分为六面体，但活塞结构形状较复杂，可利用Hypermesh+Fame的方法进行六面体划分，其过程如图3.7所示。
然后在Hypermesh中把需要映射热边界的表面（顶面和内腔等）提取，如图3.8所示。
并按顺序编排节点和单元编号。
之后，按《发动机排气系统CFD分析流程》3.4.3节中的方法映射热边界条件（第三类边界条件）到有限元表面网格，某活塞顶热边界如图3.9所示。
某活塞内腔热边界如图3.10所示（仅列出典型曲轴转角下的换热系数）。
如若未具备条件进行CFD计算，活塞顶和活塞内腔连同其他表面（外表面和活塞环槽等）
通过经验公式计算，某活塞所有热边界（经验公式计算得来）如图3.11所示。
图3.7 基于Hypermesh+Fame的活塞六面体网格划分过程
图3.8 活塞表面提取（为映射热边界准备）
a）换热系数 b）流体温度
图3.9 某活塞顶热边界
图3.10 某活塞内腔热边界
图3.11 某活塞热边界
3.4 编辑INP文件
若利用有限元软件ABAQUS计算温度场，建议把各个INP（ABAQUS的命令流文件）文件（如各部分网格、MPC定义、热边界条件）镶嵌进全局INP文件里面，这样便于编辑和修改，思路也清晰，也方便处理出现的问题，如图3.12所示。
详见《传热学及其在内燃机上的应用-6(操作实现)》。
然后提交全局INP文件进行计算。
图3.12 INP文件示意
3.5 结果处理
对于活塞管温度场，关注以下几个方面的内容：
1) 最高温度，是否超过材料的许可温度；
2) 温度分布，是否出现过大的温度梯度，为下一步进行热应力计算准备。
图3.13所示为某排气歧管温分布。
图3.13 某活塞温度分布
湖南大学先进动力总成技术研究中心
第 11 页 共 11 页 致谢
本流程的编写得到国家科技支撑计划《乘用车柴油动力系统关键技术的研发和应用》(项目编号: 2009BAG13B00)的资助，在此表示崇高的感谢！。