發(fā)動機(jī)熱-結(jié)構(gòu)瞬態(tài)方法分析

董亞男

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，錦州 121000）

發(fā)動機(jī)熱-結(jié)構(gòu)瞬態(tài)方法分析

董亞男

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，錦州 121000）

對發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合研究，對發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有重要的實(shí)際意義。本文將應(yīng)用ANSYS軟件，采用瞬態(tài)研究方法研究發(fā)動機(jī)氣缸墊的受熱及受力情況。

發(fā)動機(jī) 熱-結(jié)構(gòu) 瞬態(tài)

發(fā)動機(jī)工作時(shí)氣缸內(nèi)混合氣溫度可達(dá)到2200～2800K，壓力可達(dá)到3000～6000kPa。高溫高壓能造成缸體、缸墊、缸蓋等零件發(fā)生劇烈變形。若冷卻不充分，容易造成機(jī)體過熱，效率下降，燃燒不充分等現(xiàn)象。若溫度變化過快，也會造成發(fā)動機(jī)工作粗暴，使用壽命下降，零件變形，工作效率下降。因此，研究發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合對發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)有著重要的實(shí)際意義。本文將應(yīng)用ANSYS軟件模擬計(jì)算發(fā)動機(jī)的工作，采用瞬態(tài)研究方法研究發(fā)動機(jī)氣缸墊的受熱及受力情況。

1　穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析比較

穩(wěn)態(tài)分析通常用于研究穩(wěn)定的熱載荷對系統(tǒng)或部件結(jié)構(gòu)的影響。一般，在瞬態(tài)分析之前先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，明確溫度等初始分析[1-2]。瞬態(tài)分析用于研究隨時(shí)間變化的溫度場及其他參數(shù)。通常對溫度場的計(jì)算采用瞬態(tài)分析，并將其作為熱載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。瞬態(tài)分析過程隨著時(shí)間不斷變化。因此，對溫度場、流場、結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，需要設(shè)定初始條件。初始條件可以使用穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)條件。通常，將穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果作為瞬態(tài)分析的初始條件。

2　發(fā)動機(jī)模型建立

使用SolidWorks軟件建立發(fā)動機(jī)的缸蓋、缸體、氣缸墊、螺栓和墊圈等五個(gè)部分的幾何模型，模型整體裝配如圖1所示，缸墊模型則如圖2所示。

圖1　發(fā)動機(jī)裝配體

圖2　缸墊

3　網(wǎng)格劃分

進(jìn)行熱分析時(shí)，網(wǎng)格劃分需要達(dá)到足夠密才能確保計(jì)算精度。特別是瞬態(tài)熱-力非線性耦合分析，對模型網(wǎng)格劃分有很高的要求。模型網(wǎng)格劃分大部分采用六面體，無法生成六面體時(shí)使用四面體。劃分后節(jié)點(diǎn)55萬，單元19萬。

圖3　發(fā)動機(jī)裝配體網(wǎng)格

圖4　缸墊網(wǎng)格

4　邊界條件

自由表面邊界條件：發(fā)動機(jī)暴露在大氣中的各個(gè)表面定義為自由表面，自由表面換熱量少，使用ANSYS軟件中標(biāo)準(zhǔn)換熱系數(shù)，周圍環(huán)境設(shè)定為22℃。

冷卻表面邊界條件：發(fā)動機(jī)中與冷卻水接觸表面定義為冷卻表面。其最佳工作溫度范圍是80～90℃。介質(zhì)溫度確定為80℃。換熱系數(shù)確定為2.6×10-3W/（mm2·℃）。

燃燒室表面邊界條件：氣體爆發(fā)燃燒時(shí)產(chǎn)生熱量作用在燃燒室表面，介質(zhì)溫度確定為329℃，換熱系數(shù)確定為2.907×10-3W/（mm2·℃）。

研究發(fā)動機(jī)的瞬態(tài)工作情況就是研究發(fā)動機(jī)在正常工作狀態(tài)下的情況，需考慮發(fā)動機(jī)的工作時(shí)間。這里，發(fā)動機(jī)的工作周期為5ms，所以只研究發(fā)動機(jī)在5ms之內(nèi)的變化情況。輸入壓力值見表1。

表1　輸入壓力值

5　結(jié)果分析

5.1熱結(jié)果分析

氣缸墊溫度分布如圖5所示，熱通量分布如圖6所示。分析可知，三層缸墊溫度分布情況不同，下層缸墊兩缸筒間連接部位出現(xiàn)溫度最大值，冷卻水口溫度變化明顯，缸墊圈內(nèi)環(huán)部分向外溫度梯度逐漸減小。最大熱通量出現(xiàn)在缸墊內(nèi)圈，活塞上下運(yùn)動產(chǎn)生的熱量主要作用在缸墊內(nèi)圈上，再由內(nèi)圈向外部逐漸擴(kuò)散。溫度變化和熱通量情況均符合實(shí)際情況。

圖5　 氣缸墊（下面）溫度云圖

圖6　 缸墊（下面）總熱通量

5.2力結(jié)果分析

氣缸墊應(yīng)力分布如圖7所示，氣缸墊接觸壓力分布如圖8所示。發(fā)動機(jī)正常工作時(shí)，氣缸墊要受到螺栓預(yù)緊力的作用，從而氣缸墊壓縮。另外，氣缸墊還要受到爆發(fā)氣體作用，從而氣缸墊受力回彈。可見，氣缸墊上、下板變化情況不同。分析可知，氣缸墊應(yīng)力基本保持1000MPa左右。根據(jù)應(yīng)力云圖分析，氣缸墊凸起邊緣受力變化明顯，螺栓孔附近受力變大。在氣缸墊外面凸起的部分所受壓力小于缸口周圍，以保證氣缸墊受力平衡。分析接觸壓力，氣缸墊與缸體、缸蓋間接觸壓力約幾十到幾百兆帕，遠(yuǎn)大于油壓和水壓，可有效保證氣缸墊的密封作用。

圖7　氣缸墊（下面）應(yīng)力云圖

圖8　氣缸墊（下面） 接觸壓力云圖

[1]何俊，賴玉活.基于ANSYS Workbench的數(shù)控車床主軸系統(tǒng)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2011，（1）：20-23.

[2]李會勛，胡迎春，張建忠.利用ANSYS模擬螺栓預(yù)緊力的研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（1）：18-20.

Engine Heat-structure Transient Methodanalysis

DONG Yanan
(Locomotive Department of Liaoning Institute of Rail way Technology, Jinzhou 121000)

Heat-st ructure coupling rese arch for the engine has important practical significance to improve and design engine. Application of ANSYS so ftware engine cylinder gasket heat and stress distributionis studied by transientmethod.

engine, heat-structure, tran sient