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Abaqus在活塞温度场分析中的应用

韩力春，解志民，石鹏，邹婷，张静

（北京汽车动力总成有限公司，北京，101108）

摘要：本文基于Abaqus软件，建立发动机活塞三维实体模型，进行活塞温度场分析，活塞顶面及内腔采用流体计算结果映射边界，获得活塞温度场，并与试验测温结果进行对比，验证了仿真活塞温度场的准确性。

关键词：Abaqus，活塞，温度场

1.前言

活塞作为发动机关键零部件之一，所处工作环境十分恶劣，既要承受周期性的高温燃

气及压力，同时也承受着往复惯性力、侧向力、摩擦力及活塞销支反力等周期性的工作载

荷，其性能好坏直接关系着发动机性能水平。

设计开发初期，不具备实际样机，无法通过试验获得活塞温度，因此需借助有限元分

析软件，基于活塞的工作环境，对活塞进行温度场分析，以初步验证活塞设计是否合理。

由于热负荷求解边界条件比较复杂，因此采用模拟与试验结合的方法，以某发动机活

塞为例，进行活塞温度场分析，并与试验测温结果对比，验证温度场分析边界设定的合理

性，并为活塞疲劳强度分析提供准确的温度场边界。

2.温度场分析

2.1有限元分析模型

活塞有限元分析模型如图1所示。

图1.有限元分析模型

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采用四面体二阶网格，345216个节点，223423个单元，活塞顶面及环槽进行细化，其余位置保证网格均匀。

2.2温度分析换热边界

活塞恶劣复杂的工作环境，致使活塞温度场分析边界难以确定。选择第三类换热边界

条件，即已知边界上的流体温度和换热系数。环槽侧流体温度和换热系数来源于标定结

果，通过标定活塞温度，获得确定的环槽侧边界。考虑到缸内燃烧获取的换热边界分布较

经验分区更合理，活塞顶面采用缸内燃烧映射结果，取一个循环时间平均下的结果进行映

射，映射结果如图2及图3所示。

图2.换热系数（W/m^2K）图3.边界温度（K）

发动机采用活塞冷却喷嘴对活塞进行冷却，同时活塞冷却受活塞内腔表面形状、机油

喷射方向，出口流速及发动机转速等多种因素的影响，实际测量瞬态情况下的喷油冷却过

程比较困难，实际喷油冷却过程中，换热系数随着活塞位移而变化，且各部分分布不均匀，采用经验公式计算误差较大，因此采用CFD仿真分析的方法，通过模拟喷嘴喷油过程

获得活塞内腔换热边界，如图4及图5所示。

图4.换热系数（W/m^2K）图5.边界温度（K）

3.温度场分析结果

基于上述分析边界，在abaqus中采用稳态温度场计算方法，获得的活塞温度场结果如

图6所示。活塞最高温度297℃，出现在活塞顶面，靠近排气鼻梁区位置，低于材料的耐

温极限。第一环槽最高温度230℃，低于机油的结焦温度。

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图6.活塞温度场分析结果（℃）

4.温度场测温结果

为验证仿真分析结果，对活塞进行温度场测试。在进行活塞温度场测试时，冷却液温

度控制在110℃，额定转速全负荷工况运行2小时，活塞测点分布如图7所示。

图7.活塞测点分布

试验测试结果与仿真结果对比如图8所示。可以看出，采用缸内燃烧映射与冷却喷嘴

映射的方式获得的仿真活塞温度结果与测试结果基本一致，误差控制在±5%以内，从而验

证了仿真分析结果的合理性。

图8.仿真结果与试验结果对比及误差

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5.结论

利用有限元分析方法，采用模拟与试验相结合的方式，对发动机活塞进行温度场分

析，结论如下：

（1）采用标定环槽侧流体温度及换热系数，活塞顶面及内腔采用映射的方式，活塞最高温度297℃，第一环槽最高温度230℃，满足材料的耐温极限要求及机油结焦温度限值要求。

（2）活塞仿真结果与试验测试结果基本一致，误差在±5%以内，从而验证了活塞仿真分析边界的合理性。

6.参考文献

1、石亦平，周玉蓉．Abaqus有限元分析实例详解．机械工业出版社，2006．

2、吴兆汉．内燃机设计[M].机械工业出版社.

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