基于ALGOR的柴油机活塞温度场分析

吴璇璇

0 引言

活塞作为发动机的心脏，其设计不仅要满足船用柴油机的性能要求，还要考虑其经济性。而船用柴油机的发展趋势愈来愈趋向于高功率、高速、低油耗，降低柴油机噪声和废气净化已经成为柴油机发展的重中之重。基于柴油机的发展趋势，活塞的性能要求包括耐久性能好、产生的摩擦最小、废气污染的排放最小、产生的噪声最小及为活塞环稳定工作提供环槽条件等。综合有限元的分析方法和虚拟样机的数字化设计方法，首先运用Inventor软件创建6160型柴油机活塞在计算机上的模型系统，然后通过Inventor与ALGOR软件端口的连接，在活塞上施加温度体载荷，并使用ALGOR计算出温度场分布。根据其结果进行分析，优化设计活塞，最终提高整机的综合性能。

1 ALGOR软件

作为一款世界通用的有限元仿真软件，ALGOR被应用于众多行业的新产品研发中，且可以模拟多种现象，如机械运动仿真、线形动力学分析、稳态和瞬态的热传导分析、流体分析、静电分析、管道系统仿真等，能够预测和检验被研究对象在真实状态下的各种情况。同时，ALGOR相较于其他有限元仿真软件，操作更简便、对硬件的要求更低，被广泛应用在机械设计、应力分析等领域。

2 有限元模型的建立

2.1 几何模型的建立

本次研究是以“ω”型的活塞燃烧室为例，设计材料选用铝合金，其密度为ρ=2 700 kg/m3，导热系数为λ=236 W/(m·k)，比热为C=902 J/(kg·k)。该燃烧室设计于活塞顶部且位置居中，有限元分析的几何模型正是利用了此种活塞的完整模型数据。活塞的几何模型是使用Inventor软件建立的，然后再引入到ALGOR软件中。由于Inventor软件是一款典型的三维可视化实体模拟软件，能够保证其建立的几何模型具有活塞的真实结构，同时也能为有限元分析的顺利进行打好基础。几何模型如图1所示。

图1 6160型柴油机活塞几何模型

2.2 有限元模型的建立

为保证计算结果的准确性，需要确定合理的有限元划分方案。活塞的几何模型需要划分出网格，网格划分如图2所示。一般来说，划分的单元越细致，计算精度越高，相应的计算时间越长。

图2 6160型活塞网格划分方案

3 温度场分析

3.1 边界条件的确定

由于柴油机活塞头部在环槽工作中直接接触高温高压燃气，裙部设有冷却机构，受到冷却液的影响，活塞销孔间存在连续滑动摩擦产生的热量，所以活塞内部的温度分布极为复杂。确定边界条件时，应根据冷却液的温度、流动速度、活塞销孔间润滑油温度、参照示功图得出的燃气温度，通过半经验、经验的公式分析活塞腔内部的当量热交换系数、活塞环槽区域、活塞头部高温高压燃气的热交换系数以及活塞裙部外侧。所以研究过程中要比较活塞上对应点的实测结果与计算结果的差异性，反复修正传热边界条件，最终计算出贴近实测的结果，计算结果见表1。

表1 稳态边界条件

此次分析研究是柴油机在标定工况下，即转数为750 r/min情况下进行的。6160型柴油机气缸套内表面的温度沿轴向方向的浮动范围是110～210℃，冷却油温度为110～140℃。活塞的头部高温高压燃气的温度与燃气对流换热系数均是参照热力计算的结果得出，如图3和图4所示。活塞顶部外端面的高温高压燃气温度范围是1 570～1 780℃，而燃烧室内的柴油与高压空气的燃烧产物的平均温度范围是690～890℃；其换热系数范围取平均值400～500 W/(m2·K)。

图3 缸内气体温度

图4 气体对流换热系数 （气缸内部）

3.2 计算活塞温度场

运用Inventor软件建立三维可视化实体模型并且计算出活塞边界条件，然后使用有限元分析软件ALGOR，分析活塞的稳态，最终计算出活塞的温度场分布。计算结果如图5所示。活塞的头部与高温高压燃气接触的外端面极限温度是364.653℃，处于整个活塞的头部上燃烧室外轮廓线处；其外侧面的温度变化情况是沿着轴向方向由高到底，活塞的最上端一道气环环槽处温度为291℃；活塞销位置最高温度为256℃，内腔轮廓面最高温度为300℃。

图5 温度场轴向分布图

活塞环区域内的温度变化情况对于船舶柴油机整机的可靠性能有着重大影响，如果环槽区域的温度极限值很高，一般会导致活塞环与环槽间的滑油发生化学反应，严重时甚至会发生碳化，积碳易于粘结活塞环，使活塞环失去灵活性。如果紧连着活塞的环槽发生磨损、变形最为严重的后果是柴油机汽缸套的擦伤、拉缸。利用ALGOR的分析实验，是以有冷却油道的活塞环槽为例，很大程度上降低了该区域所承受的温度。虽然相较于第三道、第二道环槽，第一道环槽的温度要高的多，但是该温度的极限值仍在可选的范围内。如图6所示，活塞头顶部的温度分布范围是296.372～364.654℃。但是温度的变化并非升序或者是降序的，而是从活塞中间位置向燃烧室轮廓边缘位置先降温再升温，并且在活塞头部燃烧室外缘处达到最大值。如图7所示，活塞部件的整体温度沿着活塞头部向活塞裙部逐步降低，直至活塞裙部的边缘出现最低温度值。

图6 6160型柴油机活塞头部温度场分布图

图7 6160型活塞温度场的等温面分布情况

3.3 结果分析

由ALGOR软件对其温度场的解析可以得出，在整个活塞部件中，温度极限值存在于其顶部外端面燃烧室的轮廓处。这就决定了在设计燃烧室过程中，其边缘位置需要特殊处理出倒圆角，以防止热应力集中现象的发生和烧蚀作用的产生。

同时，根据整机设计中性能的考量，活塞环第一道环槽与活塞顶部间的区域受热最严重，必须充分考量所设计的活塞材料，可以采用分体式活塞设计，并且活塞的头部必须考虑抗热性，以防止活塞头部构成燃烧室的位置受到热应力的影响而产生形变。这样的设计不仅降低了活塞部件的总成本，而且满足了耐热性能的要求。

4 结语

基于ALGOR软件的活塞温度场分析的研究方法，具有实践检验和理论推导分析方法所无法比拟的优点，已经被广泛应用于柴油机性能的研究领域。该软件不仅能够有效地验证所设计的柴油机活塞是否能够在实际生产中满足温度边界值的要求，而且不需要生产实体进行校核实验；同时也可用于设计完成后的验证工作，为设计生产的结果提供保证，具有一定的实践应用价值。

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