中速大功率柴油机组合活塞的有限元分析

摘要

活塞是柴油机的关键部件，其结构比较复杂，承受着较重的周期交变的机械负荷与热负荷，三维有限元分析是活塞设计开发和评估的重要手段之一，活塞热边界条件的合理确定是有限元分析的难点所在。 本课题从前人总结的经验公式和半经验公式出发，根据中速大功率柴油机典型钢顶铝裙活塞的特点，研究并确定了活塞的热边界条件，重点对活塞顶燃气侧、冷却腔侧换热边界条件进行了研究。主要成果为： （1) 对中速柴油机活塞顶燃气侧平均换热系数和综合平均温度的计算方法进行了讨论研究，确定采用沃希尼（Woschni）公式（1990年）用于中速柴油机活塞顶燃气侧换热计算； （2) 根据中速大功率柴油机特点对活塞换热系数分布函数Seal-Taylor公式进行了修正，修正后的公式用于确定活塞顶燃气侧半径等效换热系数； （3) 确定了将Bush公式和Bush修正公式分别应用于组合活塞振荡冷却腔不同部位的换热系数计算，给出了冷却腔内不同部位换热系数的分配原则。 课题以PA6柴油机活塞为分析对象，建立了活塞多体接触1/4分析模型，采用ANSYS平台完成了稳态温度场热分析，在分析中考虑了接触热阻的影响，并在软件中实现了以函数形式施加活塞顶燃气侧半径等效换热系数，使分析结果与温度实测数据接近。之后将边界条件研究成果应用于另一钢顶铝裙活塞的稳态温度场分析，由分析结果进一步验证了其合理性。 课题还选取PA6柴油机活塞多体接触1/4分析模型分别进行了最高燃烧压力压缩工况、最大往复惯性力拉伸工况两个工况下的热机耦合应力分析。分析中关注了活塞顶与活塞裙结合面的设计对活塞应力和变形的影响以及分析方法。分析结果显示：活塞的热变形、综合应力等指标均比较合理；活塞设计优良，符合产品可靠性较高的实际使用情况。 研究表明：热边界条件的确定和施加方法在保证较高分析精度的同时具有较高的分析效率；将多体接触、热机耦合用于组合活塞有限元分析可以保证较高的分析精度。本课题的研究成果具有较高的实用价值，并可推广至同类型中速大功率柴油机钢顶铝裙活塞的设计分析和评价。