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基于ABAQUS的缸体缸盖温度场分析

路明1朱凌云1

1

安徽江淮汽车技术中心动力研究院

摘要：对某发动机进行温度场分析，首先运用Fire软件计算近壁面的温度场及流场，

然后将温度以及换热系数映射到结构网格的单元上，再利用ABAQUS进行结构的温度

场分析。

关键词：ABAQUS，耦合分析，温度场，有限元

TheTemperatureFieldAnalysisofCylinderHeadCompound

BasedOnABAQUS

LuMing1，ZhuLingyun11

AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.TechnologyCenterPowertrainAcademy

Abstract：Thetemperaturefieldhadbeenperformedonacertainengine.TheCFDsoftwarenamed

Firewasusedtocalculatethethermalfluidfield,andthenodetemperaturedatawasmappedtothe

solidmeshelements.ThetemperaturefieldofstructurewasperformedbyusingABAQUS.

Keywords:ABAQUS,couplinganalysis,temperaturefield,finiteelement

发动机作为一种热能动力机械，在工作过程中承受相当高的机械负荷以及热负荷，因此

必须要满足可靠性和耐久性，特别要考虑高温对发动机各部件材料的影响。气缸盖用于密封

气缸的顶部，与活塞顶以及气缸内壁共同组成内燃机的燃烧空间。在内燃机工作过程中，气

缸盖在承受大的机械负荷的同时，还存在高的热负荷，是内燃机中工作条件最为恶劣的零部

件之一。温度是影响发动机可靠性最重要的因素，研究发动机各部分温度的分布是开发前期

重要的工作。

1.三维有限元导热理论

在直角坐标系中，对于一切稳态、无内热源、常物性导热问题的导热微分方程式为：

?T

2

?x

2

+

?2

T

?y

2

+

?T

2

?z

2

=

0

一般采用的边界条件有三种：第一类边界条件：=

T

w

常数；第二类边界条件：q=

W

常数；

第三类边界条件，有

?T

?TT

k()=α(?∞)

?n。式中：k——导热系数；α——边界与环境的

W

?T

热交换系数；n——单位法向向量；?n

——温度在n方向上的导数；TW——物体壁面温度；

T

∞

——环境温度。

对发动机模型进行有限元离散，得到三维离散体的有限元平衡方程：[K][T]=[Q]。式中：

[K]

——整体刚度矩阵；[T]——节点温度列阵；[Q]——等效载荷矩阵。

在整机温度场分析中，假设所有的边界条件都为第三类边界条件；并假设对流是唯一的传热

方式，忽略辐射传热和排气口处的热损失。

2.有限元模型及边界条件

分析模型包括缸体、缸盖、缸垫、气门座圈、气门导管、气门和缸盖螺栓，如图1所示，

传热分析缸体缸盖水套、进排气道以及缸套部分的热边界由CFD计算得到，进排气道、火力面

和缸套部分热边界的换热系数以及壁面温度如图2、3所示。油道以及回油部分的换热系数和温

度根据经验定义为恒定的值，换热系数为130W/mK，温度为130℃。

2

图1有限元模型

图2进排气道和火力面处的换热系数边界

图3进排气道和火力面处的温度边界

3.计算结果

由CFD分析得到传热分析的边界条件后，计算得到发动机整体的温度分布。图4、5显示

了缸盖上的温度场分布，可以看出，缸盖上最高温度为247℃，低于缸盖材料的温度限值260℃，

位置在排气门座圈之间的鼻梁区处。

图4缸盖温度分布

图6缸盖截面处温度分布

缸体上的温度分布如图6所示，最高温度为221℃，位置在缸孔内侧，小于缸体材料灰铸铁

材料的限值240℃。

图7缸体上的温度分布

气门座圈上的温度分布如图8所示，进气门座圈最高温度223℃，排气门座圈最高温度

290℃，均小于气门座圈材料的温度限值。进排气门上的温度分布如图9、10所示，进气门最高

温度为324℃，小于材料的最高温度限值650℃，排气门最高温度为729℃，小于材料的温度限

值800℃。

图8气门座圈处的温度分布

图9进气门温度分布

图10排气门温度分布

4.结论

各部件均低于相应材料的温度限值，通过整机温度场的分析，在设计初期就暴露设计中的问

题，以