基于熱固耦合的船用柴油機(jī)活塞強(qiáng)度優(yōu)化

黃偉庭 高亮 田帆 羅熾恒

摘要：本文以某型船用柴油機(jī)活塞為研究對(duì)象，利用熱固耦合方法，對(duì)柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)展開了詳細(xì)分析。結(jié)果表明：基礎(chǔ)模型活塞整體溫度呈現(xiàn)上高下低分布，頭部最高溫度達(dá)到647K，最低溫度為346K，在安全范圍內(nèi)?；钊跓岷蜋C(jī)械力的作用下，最大耦合應(yīng)力312MPa，出現(xiàn)在活塞頭內(nèi)腔第一圈油孔附近，活塞頭部材料屈服強(qiáng)度940MPa，折合安全系數(shù)3.01，完全符合強(qiáng)度要求。隨后，進(jìn)行了活塞裙部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)活塞減重6270g（6.32%）的情況下整體應(yīng)力無明顯增大，優(yōu)化效果明顯。

Abstract： In this paper， the temperature field， stress field and strain field of a Marine diesel engine piston are analyzed in detail by using thermosetting coupling method. The results show that the overall temperature of the piston in the basic model is low and high， with the highest temperature of the head reaching 647K and the lowest temperature reaching 346K， which is within the safe range. Under the action of heat and mechanical force， the maximum coupling stress of the piston is 312MPa and appears near the first oil hole in the inner cavity of the piston head. The yield strength of the piston head material is 940MPa， equivalent to the safety factor of 3.01， which fully meets the strength requirements. Then， the structure optimization of the piston skirt was carried out to realize that the overall stress did not increase significantly and the optimization effect was obvious when the piston weight was reduced by 6270g （6.32%）.

關(guān)鍵詞：活塞;熱固耦合;溫度場(chǎng);強(qiáng)度;應(yīng)力計(jì)算

Key words： piston;thermal-solid coupling;temperature field;strength;stress calculation

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0043-02

0? 引言

本文基于準(zhǔn)確的三維活塞傳熱邊界條件建立活塞有限元分析模型，準(zhǔn)確完善的對(duì)活塞可靠性進(jìn)行分析，基于熱固耦合方式，增加了活塞強(qiáng)度數(shù)值模擬的精度，并基于此，進(jìn)行了活塞裙部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以進(jìn)一步提高柴油機(jī)的整體性能。

1? 有限元模型建立

1.1 有限元理論? 有限元方法的基本原理為：將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知物理場(chǎng)函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知物理場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表示[1]，從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。以此為理論指導(dǎo)，有限元分析的主要工作內(nèi)容主要可以概括為研究對(duì)象離散化、有限元模型的建立及求解、以及結(jié)果分析三個(gè)部分。

1.2 熱固耦合計(jì)算流程? 本文活塞的有限元分析流程與普通有限元分析有相同之處亦有區(qū)別。作為有限元分析過程，必須經(jīng)過三維模型建立、網(wǎng)格劃分、有限元模型搭建及求解過程，但應(yīng)注意到的是活塞是一個(gè)多物理場(chǎng)共同作用的復(fù)雜柴油機(jī)關(guān)鍵零部件。因此對(duì)活塞進(jìn)行有限元分析過程中有限元模型搭建有幾點(diǎn)關(guān)鍵問題需要注意：①活塞的傳熱邊界條件是一個(gè)三維物理場(chǎng)而非單一平均值;②活塞所受的熱、機(jī)載荷隨時(shí)間不斷變化;③活塞是一個(gè)運(yùn)動(dòng)件，在有限元模型中的約束條件也應(yīng)妥善處理。

1.3 模型網(wǎng)格及邊界設(shè)置

1.3.1 網(wǎng)格模型? 本文連接螺栓應(yīng)用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，活塞頭、活塞裙、活塞銷選用的網(wǎng)格類型為十節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格，活塞頭單元總數(shù)52398，活塞群?jiǎn)卧倲?shù)309913，活塞銷單元總數(shù)96079，連接螺栓總數(shù)4356，使用能很好適應(yīng)活塞曲面變化的實(shí)體單元類型。

1.3.2 材料定義? 要計(jì)算應(yīng)力，需要準(zhǔn)確模擬各部件自身的變化及相互關(guān)系。對(duì)各個(gè)部件定義相應(yīng)的材料參數(shù)，具體參數(shù)羅列如表1所示。

1.3.3 邊界及載荷設(shè)置

為了模擬準(zhǔn)確的裝配情況，同時(shí)考慮計(jì)算的收斂性。將活塞頭與活塞裙、活塞裙與活塞銷的接觸設(shè)置為表面小滑移接觸，切向上定義罰函數(shù)形式的摩擦力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取摩擦系數(shù)為0.19。而連接螺柱與活塞頭、活塞裙均采取綁定接觸，不影響計(jì)算結(jié)果。

在對(duì)缸體進(jìn)行位移約束時(shí)，對(duì)活塞一邊銷座孔內(nèi)側(cè)各點(diǎn)施加約束，使得UX=0，UY=0，UZ=0，θY=0，θZ=0，另一邊銷座孔內(nèi)側(cè)各點(diǎn)施加的約束為UY=0，UZ=0，θY=0，θZ=0（活塞中心線向上為Y，銷孔軸線方向?yàn)閆，垂直Y、Z所構(gòu)成平面的方向?yàn)閄方向）。計(jì)算結(jié)果表明，這樣的約束沒有引入附加載荷，是合理的。

對(duì)活塞整體來說，作用在活塞上的載荷力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

1.3.4 熱邊界設(shè)置

本文的活塞頂部邊界條件是通過CFD計(jì)算得到的火力面邊界條件T、α及材料導(dǎo)熱系數(shù)λ，代入FEA有限元計(jì)算可以求解出固體的溫度場(chǎng)[3]。具體溫度場(chǎng)設(shè)置表3所示。

2? 結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)模型溫度場(chǎng)分布? 對(duì)標(biāo)定工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)有限元模擬計(jì)算，得到活塞的溫度場(chǎng)分布情況為：

活塞整體溫度分布不均勻，最高溫度約為647K，最低溫度346.4K，最高溫度與最低溫度相差300.6K?；钊邷貐^(qū)主要集中在燃燒室以及活塞頭部，溫度從頭部到活塞裙部下緣逐漸降低。因?yàn)樵跇?biāo)定工況下，排氣溫度明顯升高，排氣溫度與進(jìn)氣溫度值相差很大，在排氣口一側(cè)燃?xì)鉄彷椛淠芰Υ蟠蠹訌?qiáng)，從而導(dǎo)致活塞排氣門處溫度較高。

活塞第一環(huán)槽區(qū)最高溫度出現(xiàn)環(huán)槽上端面，達(dá)到 432K，最低溫度425K，第一環(huán)岸區(qū)最高溫度達(dá)到425.6K，最低溫度418K。未超過機(jī)油結(jié)焦溫度493K，潤(rùn)滑條件將保持良好。

2.2 基礎(chǔ)模型應(yīng)力場(chǎng)分析? 本文根據(jù)Von Mises屈服準(zhǔn)則采用常用的Mises等效應(yīng)力來分析機(jī)體的應(yīng)力分布，找出應(yīng)力集中區(qū)域。在熱固耦合整體計(jì)算情況下得到計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

活塞頂部外油腔油孔環(huán)線（1）上，主要受爆發(fā)壓力的影響，油孔削弱了這個(gè)區(qū)域強(qiáng)度。最大應(yīng)力為312MPa。

第一道環(huán)上部外油腔拐角處（2），在活塞燃燒室底部應(yīng)力最大值234MPa，主要集中在活塞頭內(nèi)腔第一圈油孔附近。此處由于油孔數(shù)多，油孔間隔較小，導(dǎo)致由燃燒室底部氣體壓力傳導(dǎo)至此時(shí)傳遞體積驟減，因此產(chǎn)生了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在氣體力的作用下，這個(gè)區(qū)域厚度較薄，應(yīng)力較大。

活塞頭區(qū)域雖然應(yīng)力值較大，但材料屈服極限為940MPa，安全系數(shù)為3.01，完全滿足實(shí)際運(yùn)行中的運(yùn)行要求?；钊共?，最大應(yīng)力值為260MPa，活塞裙部材料屈服極限為370MPa，安全系數(shù)為1.43，可滿足實(shí)際運(yùn)行，但安全系數(shù)相對(duì)而言較小。

2.3 基礎(chǔ)模型應(yīng)變場(chǎng)分析? 活塞最大應(yīng)變出現(xiàn)在活塞頭第一道環(huán)槽上部為0.39mm，左右趨勢(shì)類似，主要是由于爆壓壓力作用，且在與銷軸垂直方向活塞結(jié)構(gòu)相對(duì)較薄，因此應(yīng)變較大。活塞裙部測(cè)推面應(yīng)變最大為0.129mm。

2.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及優(yōu)化結(jié)果? 隨著機(jī)械材料的發(fā)展和加工工藝的提高，活塞輕量化的發(fā)展越來越受到重視，隨著活塞重量的降低，連桿所受的往復(fù)慣性力會(huì)大幅度降低，有利于提高運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性;并且整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的往復(fù)慣例力矩都大幅降低，從而可以降低運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)不平衡量，有利于降低柴油機(jī)的振動(dòng)和噪聲[4]。因此，活塞質(zhì)量的降低，對(duì)柴油機(jī)整體的性能將會(huì)有很大的提升。因此本文考慮將活塞裙部下沿區(qū)域去掉，形成短裙結(jié)構(gòu)，并基于此結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化后的活塞整體應(yīng)力情況。

優(yōu)化后重新計(jì)算活塞的應(yīng)力，優(yōu)化后活塞應(yīng)力云圖如圖1所示。

根據(jù)圖1中優(yōu)化后應(yīng)力結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后活塞頭最大應(yīng)力為315MPa，比原方案提升了3MPa（提高0.96%），優(yōu)化方案安全系數(shù)為2.98，裙部最大應(yīng)力為263MPa，比原方案提升了3MPa（提高1.15%），優(yōu)化方案安全系數(shù)為1.41，裙部最大變形為0.132mm。比原方案提升0.003mm（2.3%），小于限制值;由對(duì)比數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化后，活塞整體質(zhì)量減少了6270g（6.32%），但無論是活塞頭部還是裙部均在安全范圍內(nèi)，表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理。

3? 結(jié)論

本文以某型柴油機(jī)活塞為研究對(duì)象，利用熱固耦合方法，對(duì)柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)等展開了詳細(xì)分析：基礎(chǔ)模型活塞整體溫度呈現(xiàn)上高下低分布，頭部最高溫度達(dá)到647K，最低溫度為346K?；钊h(huán)區(qū)域最高溫度為432K。活塞在受熱和機(jī)械力的共同作用下，最大耦合應(yīng)力312MPa，出現(xiàn)在活塞頭內(nèi)腔第一圈油孔附近，活塞頭部材料屈服強(qiáng)度940MPa，折合安全系數(shù)3.01，符合強(qiáng)度要求。對(duì)活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，活塞實(shí)現(xiàn)減重6.32%（6270g）的情況下整體應(yīng)力無明顯增大，優(yōu)化效果明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅述健，孫樹亭.現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法在柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造上的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)工程，1993（02）：41-47.

[2]祖炳鋒，方強(qiáng)，劉捷，等.基于熱機(jī)耦合的國(guó)-Ⅴ柴油機(jī)活塞強(qiáng)度及變形數(shù)值分析[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2014，35（01）：99-104.

[3]葉曉明，閔作興，陳國(guó)華，等.柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究及三維有限元分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（03）：46-48.

[4]胡振，喬信起，王渠東，葉兵.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞輕量化的研究進(jìn)展[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2013，42（06）：76-81.