三维活塞环的有限元模拟分析*

于文妍，秦志健

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

三维活塞环的有限元模拟分析*

于文妍，秦志健

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

以某型号汽油机活塞环第一道气环为研究对象，利用Pro/E建立活塞环的三维几何模型，再导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中，对模型在最大气体爆发压力时的温度场、应力场和耦合场进行有限元分析。为改进活塞环的结构设计和提高其工作可靠性提供了理论依据。

活塞环；温度场；应力场；耦合场

1 引 言

活塞环作为发动机最重要的部件之一，其性能的优劣直接影响着发动机的工作性能和使用寿命。尤其是第一道气环长时间处于高温、高压、难润滑的工作环境下，很容易发生故障。如今，随着发动机向着高功率、低能耗方向发展，人们对活塞环的性能也提出了新的要求。笔者将以85 mm缸径的活塞环顶环为例，分析其在上止点最大爆压下的工作状态，并综合考虑温度、热变形、气体压力等因素对活塞环的影响，为正确分析和改进其设计提供理论依据。

2 几何建模

该汽油机活塞环第一道气环采用的是对称桶面环，环高1.2 mm，环宽3.1 mm。

活塞环工作时的压力分布与其自由状态下的型线有很大的关系。一般说来，活塞环按径向压力的分布可分为均压环、高点环、低点环。由于均压环自身存在缺陷而低点环又主要用于二冲程发动机，故笔者采用高点环的经验公式设计活塞环的外型线[1]。

式中：ρ(θ)为活塞环外圆在角度；θ处的曲率半径；D为活塞环的公称直径；S为活塞环自由开口尺寸；u为角度系数。

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

根据上述公式，计算出一些列点，再由点构造出曲线，进而建立活塞环的三维几何模型如图1所示。

图2是活塞环由自由状态收拢装入气缸后的形状对比。从图中可以看出，活塞环的变形是对称的，为了简化计算，便于分析，此文采用半环(图1、2中皆是环开口在上，环脊在下)进行各类分析，其结果并不受影响。

图1 活塞环三维模型 图2 自由形状与工作形状对比

3 网格划分

为了计算的准确性，对模型进行了细致的网格划分，轴向划分成三层，最小网格边长为0.5 mm，共计18 440个节点，3 108个单元。

4 温度分析

发动机工作时活塞吸收热量40%～50%是通过活塞环槽和环的上下端面接触传递给活塞环的，然后经过环的外表面传给缸壁，而其中通过活塞环槽传递的热量非常少[2]。 根据文献[3-4]，考虑活塞环的端面形状以及润滑油膜厚度的影响，本文采用介质对流传热和接触传热为主要的传热方式，并根据文献中的方法计算出环各侧面的平均换热系数和介质的平均温度，将数据代入软件进行计算，得到环的温度场分布如图4所示。

图3 网格划分 图4 温度场分布

从图4中可以看出，环的温度从内侧向外侧逐渐降低，最高温度出现在内侧面212 ℃，最低温度出现在外侧面175.85 ℃，温差比较大，达到36.15 ℃，由此产生的热应变和热应力不可忽视。

5 应力分析

5.1 热应力

将上述的温度场作为温度载荷对环单独作用就得到了环的热应力分布。从图5中可以看出热应力在环的周向分布比较均匀，最大值约为77 MPa，出现在环的内侧面，最大变形量约为0.14 mm，出现在环的开口处。

5.2 装配应力

环的装配应力即环由自由状态经收拢装入气缸中所产生的应力。为了模拟实际情况，在环脊处添加了约束，并在环开口处施加一个位移载荷，用以模拟环由开口到闭口的变化。有限元分析结果如图6所示。环的最大应力为421 MPa，出现在环的环脊处内侧，由于使用的是高点环，因此在环的开口处也存在一定的应力，这样有利于环的密封。

图5 热应力分布 图6 装配应力分布

5.3 最大爆压应力

在上述装配应力的基础上，施加相应的约束和气体爆炸时压力就得到了环在最大爆压是的应力场(见图7)，这里暂不考虑温度场对环的影响。

环在工作时的最大爆发压力为13.72 MPa，选择环的上端面施加压力载荷。另外，由于发动机工作时燃气的压力会通过环槽的缝隙作用于活塞环的内侧面，也就是背压，因此，除了在环的上端面施加压力外，在环内侧面也要施加压力载荷。当环在上止点时，由于最大爆发压力的作用，环的下端面紧紧压在环槽的下环岸，因此需给环的下端面一个位移约束，令其在环高方向上位移为零，同时还要约束住环的外侧面在X、Y方向上的位移，用以模拟气缸壁对环的约束。有限元分析结果如图所示。最大等效应力为514 MPa，在环开口对面外侧(即环脊处)。

5.4 热机耦合应力

模拟活塞环工作的真实状态，把热应力的影响也考虑进来便得到了热机耦合作用的结果如图8所示。由于叠加了热应力，最大等效应力为595 MPa，小于材料的屈服极限，处于安全范围内，并且出现在环开口对面的外侧，符合活塞环的受力特点。

图7 最大爆压时应力分布 图8 热耦合应力分布

6 结 论

(1) 通过以上模拟得出，环在工作时的应力主要来源于自身收拢变形所产生的应力，热应力和气体的压力对其产生加强的作用。

(2) 采用高点环后，在环的开口处也存在一定的应力，这有利于加强活塞环的密封性能。

(3) 热载荷不可忽略，过大的热载荷可能导致活塞环开口处发生咬合。本例中开口处最大热应变为0.14 mm，因此本环的闭口间隙不应小于0.28 mm，否则就会发生咬合。

[1] 刘卫华，华 岩．活塞环自由型线计算方法的比较[J]．无锡轻工大学学报，2001,1(1)：84-87.

[2] 严 立．活塞环的温度场及对径向压力分布的影响[J]．武汉水运工程学院学报，1989(2)：42-50.

[3] 程杨林．活塞环的温度分布[J]．内燃机学报，1985,3(3)：257-264．[4] 曹玉章．传热学[M]．北京：北京航空航天大学出版社，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，内蒙古包头人，教授，硕士生导师，主要从事机电液一体化系统研究与应用方面工作。

V464

A

1007-4414(2014)01-0004-02