基于ANSYS船用柴油機氣缸體耦合場的有限元分析★

宋 博 楊浩洋

(1．廣州航海學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院,廣東 廣州 510725; 2.廣州中船文沖船塢有限公司,廣東 廣州 510000)

1 概述

柴油機通過活塞的往復(fù)運動以帶動其他部件運作來提供動力，活塞與氣缸套不斷摩擦產(chǎn)生大量熱量，造成氣缸壁內(nèi)工作環(huán)境十分惡劣，而氣缸體承載著氣缸套，這些熱量也將影響氣缸體，進而產(chǎn)生無法彌補的變形。許多柴油機事故中，缸體拉缸，變形，開裂的原因就在于氣缸壁內(nèi)高溫惡劣環(huán)境。所以有必要進行氣缸體溫度場研究分析，總結(jié)氣缸體的承受溫度，熱應(yīng)力范圍以及熱變形。

本文以6S60ME柴油機氣缸體為研究對象，通過ANSYS有限元對柴油機氣缸體的溫度場和變形進行分析計算，并將結(jié)果導(dǎo)入熱應(yīng)力分析，為缸體設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

2 溫度場有限元分析

通過圖紙資料得出氣缸體主要物理數(shù)據(jù)，并用Pro/E軟件建模，將幾何模型倒入ANSYS軟件。

2.1 邊界條件的確定

氣缸體各部分邊界條件的確定包括氣缸壁內(nèi)，冷卻水套，機體外壁各部位的熱邊界條件，即各部位上的熱對流系數(shù)以及對應(yīng)的環(huán)境溫度。另外，由于氣缸壁內(nèi)的熱交換方式是以熱輻射為主，

所以燃?xì)馄骄鶞囟纫残枰煌治?。在確定傳熱邊界條件時，考慮到氣缸壁面上熱量的來源[1]：

1)燃?xì)獾臒釋α?、熱輻射直接傳入壁?nèi)。

2)活塞側(cè)面燃?xì)馀c氣缸壁的熱量傳導(dǎo)。

由于活塞在氣缸壁內(nèi)往復(fù)運動使氣缸內(nèi)燃?xì)馀c氣缸壁的接觸時間不一樣，靠近氣缸蓋上端的氣缸壁與燃?xì)饨佑|的時間比接觸氣缸壁底部的時間長，因此，氣缸上下表面的熱邊界條件是不同的。本文將氣缸套內(nèi)壁面分為四部分，見圖1，1區(qū)為活塞處于上止點時，活塞頂?shù)綒飧滋醉敳康木嚯x；2區(qū)為上下止點中部到上止點的距離；3區(qū)為上下止點中部到下止點的距離；4區(qū)為下止點到氣缸套底部距離[2]。

氣缸套冷卻水換熱系數(shù)取平均值為3 000 W/(m2·K)，冷卻水溫度取平均溫度值為309 K。氣缸體外壁與外界空氣直接接觸，運行時壁面溫度即周圍空氣溫度，所以外壁面平均溫度為320 K，換熱系數(shù)為60 W/(m2·K)。根據(jù)技術(shù)資料，內(nèi)表面平均溫度為400 K，換熱系數(shù)為200 W/(m2·K)。在輸入邊界條件后進行求解，得到氣缸體的溫度場分布云圖。

2.2 有限元溫度場分析

由有限元分析得圖2：在氣缸內(nèi)，氣缸溫度隨軸線高度方向往底部降低，最高溫度出現(xiàn)在氣缸頂部位置，約為550 K,這是因為氣缸的頂部與高溫燃?xì)庥兄苯咏佑|，熱量的傳入最高，而在氣缸底部，由于有冷卻水流動帶走熱量，同時沒有接觸燃?xì)?，熱量主要來源是?dǎo)熱，所以溫度最低，約為309 K。而在兩個相對的氣缸內(nèi)壁面區(qū)域出現(xiàn)高溫且溫度梯度較大，約在420 K以上，這是由于這些區(qū)域要承受兩個氣缸的燃?xì)鈧鳠嵬瑫r又處于冷卻死區(qū)，冷卻液無法進入該區(qū)域帶走熱量，只能通過氣缸間的缸體部分與外界環(huán)境直接換熱。綜上所述，氣缸頂?shù)綒飧椎?，氣缸?nèi)壁面到外壁面，溫度呈逐漸下降的趨勢。通過上述分析結(jié)果可知，氣缸內(nèi)的最高溫度約為250 ℃，根據(jù)合金鑄鐵材料的工作特性，是在允許的工作溫度300 ℃范圍內(nèi)；而缸體的最高溫度約為200 ℃，對于Nimonic80A合金材料來說，其最高的工作溫度應(yīng)低于760 ℃，所以缸體與氣缸在正常工況下是不會產(chǎn)生熱失效，所以該氣缸體滿足熱強度要求。

3 熱應(yīng)力有限元分析

在上述計算中，我們已經(jīng)得到了缸體與氣缸的溫度場的分布結(jié)果，我們只需要把計算結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析即可得到氣缸體的熱應(yīng)力的分析。將溫度場單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)場單元[3]，定義材料熱膨脹系數(shù)1.1e-5，得氣缸熱應(yīng)力圖如圖3所示。

缸體的熱應(yīng)力變化不大，氣缸最大熱應(yīng)力在于高溫燃?xì)庵校搮^(qū)域?qū)儆诶鋮s死區(qū)，冷卻液無法進入帶走熱量使熱量積聚產(chǎn)生大量應(yīng)力，而該部位的往下部分包裹著冷卻水進行降溫，上下溫差

巨大令冷熱交接部位產(chǎn)生大量應(yīng)力；同時該結(jié)構(gòu)的實體結(jié)構(gòu)中并不是如三維建模中那樣平整均勻的，而是有很多凹槽與拐角，在工作時，這個部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在氣缸內(nèi)壁面，是因為區(qū)域溫度高，都有向外膨脹的趨勢。熱應(yīng)力在氣缸上有延軸線往下從內(nèi)到外下降趨勢。而缸體部分的熱應(yīng)力均較小，這是由于缸體與外界環(huán)境的接觸面積廣，散熱良好令缸體溫度比較恒定，不存在冷熱交替區(qū)域，所以缸體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱應(yīng)力不大。

根據(jù)上述分析可得：氣缸的最大熱應(yīng)力約為120 MPa，而缸體絕大部分熱應(yīng)力都低于42 MPa。本氣缸的合金鑄鐵材料抗壓強度為270 MPa，而缸體采用的Nimonic80A合金的材料抗壓強度為700 MPa，在該正常工況下，缸體與氣缸受到的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料強度，故6S60ME柴油機氣缸體的強度滿足要求。

4 結(jié)語

6S60ME船用柴油機氣缸體在缸體上溫差不大，溫度分布較平均，主要溫差大的區(qū)域在于氣缸套上，最高溫分布在氣缸上部和氣缸與缸體連接處的凸臺以及密封墊圈處；由于氣缸上部分支承處于下部分冷卻水套的交界處溫差大和結(jié)構(gòu)的原因，在此處容易發(fā)生大量應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以最大熱應(yīng)力應(yīng)變處出現(xiàn)在氣缸上部分與下部分交界處部位；在對氣缸體進行自由網(wǎng)絡(luò)劃分時，劃分的精度會影響溫度場與熱變形分析結(jié)果精確度，通過測試及不同精度等級，最后選擇精度等級為3的網(wǎng)絡(luò)劃分對氣缸體網(wǎng)絡(luò)進行劃分最為合理，保證了劃分速度與分析精度。

本文比較詳細(xì)地對6S60ME柴油機氣缸體溫度場進行研究分析，對氣缸體溫度場分析具有一定的意義，為氣缸體溫度場方面的研究和生產(chǎn)設(shè)計優(yōu)化提供了一定的借鑒。