吳璇璇

0 引言

活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，其設(shè)計(jì)不僅要滿足船用柴油機(jī)的性能要求，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性。而船用柴油機(jī)的發(fā)展趨勢愈來愈趨向于高功率、高速、低油耗，降低柴油機(jī)噪聲和廢氣凈化已經(jīng)成為柴油機(jī)發(fā)展的重中之重?；诓裼蜋C(jī)的發(fā)展趨勢，活塞的性能要求包括耐久性能好、產(chǎn)生的摩擦最小、廢氣污染的排放最小、產(chǎn)生的噪聲最小及為活塞環(huán)穩(wěn)定工作提供環(huán)槽條件等。綜合有限元的分析方法和虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，首先運(yùn)用Inventor軟件創(chuàng)建6160型柴油機(jī)活塞在計(jì)算機(jī)上的模型系統(tǒng)，然后通過Inventor與ALGOR軟件端口的連接，在活塞上施加溫度體載荷，并使用ALGOR計(jì)算出溫度場分布。根據(jù)其結(jié)果進(jìn)行分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)活塞，最終提高整機(jī)的綜合性能。

1 ALGOR軟件

作為一款世界通用的有限元仿真軟件，ALGOR被應(yīng)用于眾多行業(yè)的新產(chǎn)品研發(fā)中，且可以模擬多種現(xiàn)象，如機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真、線形動(dòng)力學(xué)分析、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱傳導(dǎo)分析、流體分析、靜電分析、管道系統(tǒng)仿真等，能夠預(yù)測和檢驗(yàn)被研究對象在真實(shí)狀態(tài)下的各種情況。同時(shí)，ALGOR相較于其他有限元仿真軟件，操作更簡便、對硬件的要求更低，被廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析等領(lǐng)域。

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立

本次研究是以“ω”型的活塞燃燒室為例，設(shè)計(jì)材料選用鋁合金，其密度為ρ=2 700 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為λ=236 W/(m·k)，比熱為C=902 J/(kg·k)。該燃燒室設(shè)計(jì)于活塞頂部且位置居中，有限元分析的幾何模型正是利用了此種活塞的完整模型數(shù)據(jù)?；钊膸缀文Ｐ褪鞘褂肐nventor軟件建立的，然后再引入到ALGOR軟件中。由于Inventor軟件是一款典型的三維可視化實(shí)體模擬軟件，能夠保證其建立的幾何模型具有活塞的真實(shí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能為有限元分析的順利進(jìn)行打好基礎(chǔ)。幾何模型如圖1所示。

圖1 6160型柴油機(jī)活塞幾何模型

2.2 有限元模型的建立

為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要確定合理的有限元?jiǎng)澐址桨??；钊膸缀文Ｐ托枰獎(jiǎng)澐殖鼍W(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2所示。一般來說，劃分的單元越細(xì)致，計(jì)算精度越高，相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間越長。

圖2 6160型活塞網(wǎng)格劃分方案

3 溫度場分析

3.1 邊界條件的確定

由于柴油機(jī)活塞頭部在環(huán)槽工作中直接接觸高溫高壓燃?xì)?，裙部設(shè)有冷卻機(jī)構(gòu)，受到冷卻液的影響，活塞銷孔間存在連續(xù)滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的熱量，所以活塞內(nèi)部的溫度分布極為復(fù)雜。確定邊界條件時(shí)，應(yīng)根據(jù)冷卻液的溫度、流動(dòng)速度、活塞銷孔間潤滑油溫度、參照示功圖得出的燃?xì)鉁囟龋ㄟ^半經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)的公式分析活塞腔內(nèi)部的當(dāng)量熱交換系數(shù)、活塞環(huán)槽區(qū)域、活塞頭部高溫高壓燃?xì)獾臒峤粨Q系數(shù)以及活塞裙部外側(cè)。所以研究過程中要比較活塞上對應(yīng)點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的差異性，反復(fù)修正傳熱邊界條件，最終計(jì)算出貼近實(shí)測的結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 穩(wěn)態(tài)邊界條件

此次分析研究是柴油機(jī)在標(biāo)定工況下，即轉(zhuǎn)數(shù)為750 r/min情況下進(jìn)行的。6160型柴油機(jī)氣缸套內(nèi)表面的溫度沿軸向方向的浮動(dòng)范圍是110～210℃，冷卻油溫度為110～140℃?；钊念^部高溫高壓燃?xì)獾臏囟扰c燃?xì)鈱α鲹Q熱系數(shù)均是參照熱力計(jì)算的結(jié)果得出，如圖3和圖4所示。活塞頂部外端面的高溫高壓燃?xì)鉁囟确秶? 570～1 780℃，而燃燒室內(nèi)的柴油與高壓空氣的燃燒產(chǎn)物的平均溫度范圍是690～890℃；其換熱系數(shù)范圍取平均值400～500 W/(m2·K)。

圖3 缸內(nèi)氣體溫度

圖4 氣體對流換熱系數(shù) （氣缸內(nèi)部）

3.2 計(jì)算活塞溫度場

運(yùn)用Inventor軟件建立三維可視化實(shí)體模型并且計(jì)算出活塞邊界條件，然后使用有限元分析軟件ALGOR，分析活塞的穩(wěn)態(tài)，最終計(jì)算出活塞的溫度場分布。計(jì)算結(jié)果如圖5所示?；钊念^部與高溫高壓燃?xì)饨佑|的外端面極限溫度是364.653℃，處于整個(gè)活塞的頭部上燃燒室外輪廓線處；其外側(cè)面的溫度變化情況是沿著軸向方向由高到底，活塞的最上端一道氣環(huán)環(huán)槽處溫度為291℃；活塞銷位置最高溫度為256℃，內(nèi)腔輪廓面最高溫度為300℃。

圖5 溫度場軸向分布圖

活塞環(huán)區(qū)域內(nèi)的溫度變化情況對于船舶柴油機(jī)整機(jī)的可靠性能有著重大影響，如果環(huán)槽區(qū)域的溫度極限值很高，一般會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)與環(huán)槽間的滑油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生碳化，積碳易于粘結(jié)活塞環(huán)，使活塞環(huán)失去靈活性。如果緊連著活塞的環(huán)槽發(fā)生磨損、變形最為嚴(yán)重的后果是柴油機(jī)汽缸套的擦傷、拉缸。利用ALGOR的分析實(shí)驗(yàn)，是以有冷卻油道的活塞環(huán)槽為例，很大程度上降低了該區(qū)域所承受的溫度。雖然相較于第三道、第二道環(huán)槽，第一道環(huán)槽的溫度要高的多，但是該溫度的極限值仍在可選的范圍內(nèi)。如圖6所示，活塞頭頂部的溫度分布范圍是296.372～364.654℃。但是溫度的變化并非升序或者是降序的，而是從活塞中間位置向燃燒室輪廓邊緣位置先降溫再升溫，并且在活塞頭部燃燒室外緣處達(dá)到最大值。如圖7所示，活塞部件的整體溫度沿著活塞頭部向活塞裙部逐步降低，直至活塞裙部的邊緣出現(xiàn)最低溫度值。

圖6 6160型柴油機(jī)活塞頭部溫度場分布圖

圖7 6160型活塞溫度場的等溫面分布情況

3.3 結(jié)果分析

由ALGOR軟件對其溫度場的解析可以得出，在整個(gè)活塞部件中，溫度極限值存在于其頂部外端面燃燒室的輪廓處。這就決定了在設(shè)計(jì)燃燒室過程中，其邊緣位置需要特殊處理出倒圓角，以防止熱應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生和燒蝕作用的產(chǎn)生。

同時(shí)，根據(jù)整機(jī)設(shè)計(jì)中性能的考量，活塞環(huán)第一道環(huán)槽與活塞頂部間的區(qū)域受熱最嚴(yán)重，必須充分考量所設(shè)計(jì)的活塞材料，可以采用分體式活塞設(shè)計(jì)，并且活塞的頭部必須考慮抗熱性，以防止活塞頭部構(gòu)成燃燒室的位置受到熱應(yīng)力的影響而產(chǎn)生形變。這樣的設(shè)計(jì)不僅降低了活塞部件的總成本，而且滿足了耐熱性能的要求。

4 結(jié)語

基于ALGOR軟件的活塞溫度場分析的研究方法，具有實(shí)踐檢驗(yàn)和理論推導(dǎo)分析方法所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)性能的研究領(lǐng)域。該軟件不僅能夠有效地驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的柴油機(jī)活塞是否能夠在實(shí)際生產(chǎn)中滿足溫度邊界值的要求，而且不需要生產(chǎn)實(shí)體進(jìn)行校核實(shí)驗(yàn)；同時(shí)也可用于設(shè)計(jì)完成后的驗(yàn)證工作，為設(shè)計(jì)生產(chǎn)的結(jié)果提供保證，具有一定的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

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