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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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