三維活塞環(huán)的有限元模擬分析*

于文妍，秦志健

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

三維活塞環(huán)的有限元模擬分析*

于文妍，秦志健

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

以某型號(hào)汽油機(jī)活塞環(huán)第一道氣環(huán)為研究對(duì)象，利用Pro/E建立活塞環(huán)的三維幾何模型，再導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，對(duì)模型在最大氣體爆發(fā)壓力時(shí)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和耦合場(chǎng)進(jìn)行有限元分析。為改進(jìn)活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高其工作可靠性提供了理論依據(jù)。

活塞環(huán)；溫度場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)；耦合場(chǎng)

1 引 言

活塞環(huán)作為發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的部件之一，其性能的優(yōu)劣直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能和使用壽命。尤其是第一道氣環(huán)長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、高壓、難潤(rùn)滑的工作環(huán)境下，很容易發(fā)生故障。如今，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向著高功率、低能耗方向發(fā)展，人們對(duì)活塞環(huán)的性能也提出了新的要求。筆者將以85 mm缸徑的活塞環(huán)頂環(huán)為例，分析其在上止點(diǎn)最大爆壓下的工作狀態(tài)，并綜合考慮溫度、熱變形、氣體壓力等因素對(duì)活塞環(huán)的影響，為正確分析和改進(jìn)其設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 幾何建模

該汽油機(jī)活塞環(huán)第一道氣環(huán)采用的是對(duì)稱桶面環(huán)，環(huán)高1.2 mm，環(huán)寬3.1 mm。

活塞環(huán)工作時(shí)的壓力分布與其自由狀態(tài)下的型線有很大的關(guān)系。一般說來，活塞環(huán)按徑向壓力的分布可分為均壓環(huán)、高點(diǎn)環(huán)、低點(diǎn)環(huán)。由于均壓環(huán)自身存在缺陷而低點(diǎn)環(huán)又主要用于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，故筆者采用高點(diǎn)環(huán)的經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)活塞環(huán)的外型線[1]。

式中：ρ(θ)為活塞環(huán)外圓在角度；θ處的曲率半徑；D為活塞環(huán)的公稱直徑；S為活塞環(huán)自由開口尺寸；u為角度系數(shù)。

Z=1-0.23 5S/(D-t)

根據(jù)上述公式，計(jì)算出一些列點(diǎn)，再由點(diǎn)構(gòu)造出曲線，進(jìn)而建立活塞環(huán)的三維幾何模型如圖1所示。

圖2是活塞環(huán)由自由狀態(tài)收攏裝入氣缸后的形狀對(duì)比。從圖中可以看出，活塞環(huán)的變形是對(duì)稱的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，便于分析，此文采用半環(huán)(圖1、2中皆是環(huán)開口在上，環(huán)脊在下)進(jìn)行各類分析，其結(jié)果并不受影響。

圖1 活塞環(huán)三維模型 圖2 自由形狀與工作形狀對(duì)比

3 網(wǎng)格劃分

為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)模型進(jìn)行了細(xì)致的網(wǎng)格劃分，軸向劃分成三層，最小網(wǎng)格邊長(zhǎng)為0.5 mm，共計(jì)18 440個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 108個(gè)單元。

4 溫度分析

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)活塞吸收熱量40%～50%是通過活塞環(huán)槽和環(huán)的上下端面接觸傳遞給活塞環(huán)的，然后經(jīng)過環(huán)的外表面?zhèn)鹘o缸壁，而其中通過活塞環(huán)槽傳遞的熱量非常少[2]。 根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]，考慮活塞環(huán)的端面形狀以及潤(rùn)滑油膜厚度的影響，本文采用介質(zhì)對(duì)流傳熱和接觸傳熱為主要的傳熱方式，并根據(jù)文獻(xiàn)中的方法計(jì)算出環(huán)各側(cè)面的平均換熱系數(shù)和介質(zhì)的平均溫度，將數(shù)據(jù)代入軟件進(jìn)行計(jì)算，得到環(huán)的溫度場(chǎng)分布如圖4所示。

圖3 網(wǎng)格劃分 圖4 溫度場(chǎng)分布

從圖4中可以看出，環(huán)的溫度從內(nèi)側(cè)向外側(cè)逐漸降低，最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)面212 ℃，最低溫度出現(xiàn)在外側(cè)面175.85 ℃，溫差比較大，達(dá)到36.15 ℃，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)變和熱應(yīng)力不可忽視。

5 應(yīng)力分析

5.1 熱應(yīng)力

將上述的溫度場(chǎng)作為溫度載荷對(duì)環(huán)單獨(dú)作用就得到了環(huán)的熱應(yīng)力分布。從圖5中可以看出熱應(yīng)力在環(huán)的周向分布比較均勻，最大值約為77 MPa，出現(xiàn)在環(huán)的內(nèi)側(cè)面，最大變形量約為0.14 mm，出現(xiàn)在環(huán)的開口處。

5.2 裝配應(yīng)力

環(huán)的裝配應(yīng)力即環(huán)由自由狀態(tài)經(jīng)收攏裝入氣缸中所產(chǎn)生的應(yīng)力。為了模擬實(shí)際情況，在環(huán)脊處添加了約束，并在環(huán)開口處施加一個(gè)位移載荷，用以模擬環(huán)由開口到閉口的變化。有限元分析結(jié)果如圖6所示。環(huán)的最大應(yīng)力為421 MPa，出現(xiàn)在環(huán)的環(huán)脊處內(nèi)側(cè)，由于使用的是高點(diǎn)環(huán)，因此在環(huán)的開口處也存在一定的應(yīng)力，這樣有利于環(huán)的密封。

圖5 熱應(yīng)力分布 圖6 裝配應(yīng)力分布

5.3 最大爆壓應(yīng)力

在上述裝配應(yīng)力的基礎(chǔ)上，施加相應(yīng)的約束和氣體爆炸時(shí)壓力就得到了環(huán)在最大爆壓是的應(yīng)力場(chǎng)(見圖7)，這里暫不考慮溫度場(chǎng)對(duì)環(huán)的影響。

環(huán)在工作時(shí)的最大爆發(fā)壓力為13.72 MPa，選擇環(huán)的上端面施加壓力載荷。另外，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃?xì)獾膲毫?huì)通過環(huán)槽的縫隙作用于活塞環(huán)的內(nèi)側(cè)面，也就是背壓，因此，除了在環(huán)的上端面施加壓力外，在環(huán)內(nèi)側(cè)面也要施加壓力載荷。當(dāng)環(huán)在上止點(diǎn)時(shí)，由于最大爆發(fā)壓力的作用，環(huán)的下端面緊緊壓在環(huán)槽的下環(huán)岸，因此需給環(huán)的下端面一個(gè)位移約束，令其在環(huán)高方向上位移為零，同時(shí)還要約束住環(huán)的外側(cè)面在X、Y方向上的位移，用以模擬氣缸壁對(duì)環(huán)的約束。有限元分析結(jié)果如圖所示。最大等效應(yīng)力為514 MPa，在環(huán)開口對(duì)面外側(cè)(即環(huán)脊處)。

5.4 熱機(jī)耦合應(yīng)力

模擬活塞環(huán)工作的真實(shí)狀態(tài)，把熱應(yīng)力的影響也考慮進(jìn)來便得到了熱機(jī)耦合作用的結(jié)果如圖8所示。由于疊加了熱應(yīng)力，最大等效應(yīng)力為595 MPa，小于材料的屈服極限，處于安全范圍內(nèi)，并且出現(xiàn)在環(huán)開口對(duì)面的外側(cè)，符合活塞環(huán)的受力特點(diǎn)。

圖7 最大爆壓時(shí)應(yīng)力分布 圖8 熱耦合應(yīng)力分布

6 結(jié) 論

(1) 通過以上模擬得出，環(huán)在工作時(shí)的應(yīng)力主要來源于自身收攏變形所產(chǎn)生的應(yīng)力，熱應(yīng)力和氣體的壓力對(duì)其產(chǎn)生加強(qiáng)的作用。

(2) 采用高點(diǎn)環(huán)后，在環(huán)的開口處也存在一定的應(yīng)力，這有利于加強(qiáng)活塞環(huán)的密封性能。

(3) 熱載荷不可忽略，過大的熱載荷可能導(dǎo)致活塞環(huán)開口處發(fā)生咬合。本例中開口處最大熱應(yīng)變?yōu)?.14 mm，因此本環(huán)的閉口間隙不應(yīng)小于0.28 mm，否則就會(huì)發(fā)生咬合。

[1] 劉衛(wèi)華，華 巖．活塞環(huán)自由型線計(jì)算方法的比較[J]．無錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,1(1)：84-87.

[2] 嚴(yán) 立．活塞環(huán)的溫度場(chǎng)及對(duì)徑向壓力分布的影響[J]．武漢水運(yùn)工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1989(2)：42-50.

[3] 程楊林．活塞環(huán)的溫度分布[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1985,3(3)：257-264．[4] 曹玉章．傳熱學(xué)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1997.

Three Dimensional Finite Element Simulation Analysis of Piston Ring

YU Wen-yan, QIN Zhi-jian

(DepartmentofMechanicalEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,BaotouInnerMongolia014010,China)

In this paper, taking the first ring of a type of gasoline engine as the research object, three-dimensional geometric model of the piston ring is established by using Pro/E, and then it is imported into the finite element analysis software of ANSYS Workbench，the finite element analysis is done for the temperature field, stress field and coupled field when the model being in the maximum outbreak gas pressure，which provides a theoretical basis for improving the structural design of piston rings and the reliability of its work.

piston ring；temperature field；stress field；coupled field

2013-11-10

于文妍(1962-)，女，內(nèi)蒙古包頭人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)電液一體化系統(tǒng)研究與應(yīng)用方面工作。

V464

A

1007-4414(2014)01-0004-02