基于ANSYS的發(fā)動機活塞三維溫度場計算（終稿

1、第一章 引言活塞作為發(fā)動機最主要的受熱零件之一,它的工作情況直接關系到內(nèi)燃機的工作可靠性和使用耐久性，同時直接影響到內(nèi)燃機的排放性能，其性能的好壞直接影響整機的性能。高壓氣體燃燒產(chǎn)生的高溫使活塞頂部乃至整個活塞溫度很高，且溫度分布很不均勻，導致活塞產(chǎn)生熱應力和熱變形。隨著內(nèi)燃機在強化程度和熱負荷水平上的大幅度提高，由于特殊工況，而導致的熱負荷問題更加突出。如何正確模擬內(nèi)燃機的特殊工況，準確計算活塞的溫度場是解決這個問題的關鍵。如果得到其溫度場,便可有目的地進行設計,減小熱負荷。有限元方法的基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將

2、微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式，借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。因此，對活塞進行溫度場、應力場以及熱負荷和機械負荷共同作用的藕合應力場進行有限元分析，了解活塞的熱負荷和綜合應力分布情況，進而改進活塞，提高其工作可靠性具有重要意義。本文利用Pro/Engineer軟件的實體建模方法，建立了某汽油機活塞的三維實體模型，對其溫度場在三維有限元軟件ANSYS中進行了模擬分析。1.1活塞熱狀態(tài)概述活塞是內(nèi)燃機中處在非常不利的條件下的一個重要零件1。活塞受高溫燃氣周期行的加熱作用。燃氣的最高瞬時溫度一般都高達1600 1800，燃氣平均溫度

3、也高達600 800左右。隨著內(nèi)燃機的平均有效壓力和活塞平均速度的不斷提高，就伴隨著燃氣最高溫度和平均溫度相應升高。高溫燃氣與活塞頂面通過對流和輻射兩種方式將熱量傳給活塞，從而使活塞組的熱負荷顯著提高。評定活塞熱狀態(tài)首先是活塞頂?shù)淖罡邷囟龋话慊钊數(shù)淖罡邷囟雀哌_300 350左右，隨著汽缸直徑增大則其最高溫度更高，再加上大缸徑活塞其壁較厚，則內(nèi)外壁面的溫差較大，從而使產(chǎn)生的熱應力也較大。內(nèi)燃機的活塞，值從機械強度方面來衡量往往是不夠的，還必須保證活塞適當?shù)臒釥顟B(tài)。換言之，強度計算必須由熱應力計算做補充。在大型低速內(nèi)燃機中其熱應力甚至比機械應力大數(shù)倍。由于活塞頂部溫度過高，在達到一定限度后材料

4、強度顯著降低，一般鋁合金當溫度達300左右時機械強度要下降50%左右，在350攝氏度左右已達到其材料允許極限，溫度達到380 400以上就不能保證繼續(xù)可靠的運轉(zhuǎn)。除此之外，在高溫條件下材料的抗彈性變形和抗塑性變形的能力也隨之下降，還會出現(xiàn)高溫蠕變，甚至會在局部區(qū)域（如燃燒室喉口尖角處，火焰沖擊區(qū)域）出現(xiàn)熱點。局部溫度更高就會產(chǎn)生塑性變形，熱裂甚至燒損。由于活塞頂部溫差較大會產(chǎn)生很高的熱應力，從而使活塞出現(xiàn)疲勞裂縫損壞。評定活塞熱狀態(tài)除了活塞頂最高溫度和熱應力外，第一道環(huán)槽溫度也是重要的。第一道環(huán)槽溫度過高使環(huán)帶處潤滑油結膠，結碳，致使活塞環(huán)卡死在環(huán)槽中，引起漏氣和串油。由于密封惡化，熾熱的燃氣

5、竄過活塞環(huán)，使活塞的溫度進一步提高，同時使輸出功率下降，嚴重時引起活塞環(huán)折斷和拉缸事故。一般認為第一道環(huán)槽溫度在200以下長期使用不會發(fā)生結膠，結碳，當溫度超過200那么沒超過10結碳增加一倍，若超過240 250就會嚴重結碳甚至活塞環(huán)卡死，當然這還與潤滑油品質(zhì)和使用條件有關。從燃氣傳入活塞頂?shù)臒崃恳话慵s為燃料燃燒總熱量的2 4%，約占傳給冷卻水熱量的33 58 %。由活塞傳給汽缸壁的熱量通過活塞環(huán)，活塞銷，活塞內(nèi)表面的空氣，油霧和冷卻油腔的冷卻油帶走。其散熱途徑與活塞結構和冷卻的方式密切有關。一般沒有冷卻油腔的或是大部分熱量（62 67 %）系通過活塞環(huán)散去，而有冷卻腔的活塞大部分熱量通過冷

6、卻油帶走，經(jīng)過活塞環(huán)散去的熱量僅為2 40 %左右。這樣第一道活塞環(huán)的熱負荷就顯著降低，但活塞頂部的熱應力就顯著增加。因此對不同冷卻方案它們的結構設計和熱狀態(tài)就全然不同。綜上所述，內(nèi)燃機活塞式一個在很不利的受熱狀態(tài)條件下工作的零件，活塞的使用可靠性在很大程度上影響整臺內(nèi)燃機的使用可靠性。并且在某種程度上將限制內(nèi)燃機升功率進一步提高。而其中活塞的熱狀態(tài)是主要的一個因素。要評價活塞的熱狀態(tài)，直觀而有效的方法是求得活塞的溫度場，從溫度場就可總觀活塞溫度的全貌及其熱流分布是否合理，以便為其熱負荷的改善指明途徑，同時活塞的溫度場還是求取熱應力和熱變形的主要依據(jù)。根據(jù)求得的應力和變形，就可以判斷活塞在工作

7、狀況下的疲勞強度，以及活塞的冷熱形狀，為活塞的最優(yōu)化設計提供依據(jù)。1.2活塞溫度場測試概述目前，活塞設計多采用經(jīng)驗值和理論計算(如有限元分析等) 來預測活塞在發(fā)動機中運行時的溫度場分布2。但該方法受到一些因素的制約(如活塞型式，邊界條件等)，只能近似模擬活塞溫度場，如想得到真實的數(shù)據(jù),必須進行裝機試驗。目前國內(nèi)外公司采用的活塞溫度場測試方法主要有以下幾種:1.2.1硬度塞法硬度塞法測試溫度的原理是利用經(jīng)過淬火的某種金屬材料(一般采用GCr6、Cr15 等) 在加熱后產(chǎn)生永久性硬度變化,在不同的溫度下進行回火,其表面硬度也將不同的現(xiàn)象。這種硬度的最后變化,既取決于它所承受的最高溫度,又取決于此溫

8、度所延續(xù)的時間。因此,將金屬材料加工成小螺釘,如圖1 所示,并預先測出其溫度- 硬度曲線,在測試時,把小螺釘裝在被測零件上,當發(fā)動機按一定工況運行一定時間之后,取下這些小螺釘,并在硬度計上測出表面硬度,再根據(jù)該金屬材料的溫度- 硬度曲線,即可得到溫度數(shù)據(jù)。此法為目前國際通用的方法。該測試方式精度(5 25 ) 與硬度塞材料的均勻性、熱處理工藝及控制等均密切相關,人為的操作誤差影響也較大,需要有一定經(jīng)驗的專業(yè)人員來操作,硬度計上測定刻痕長度的光學計量精度也有一定影響。其優(yōu)點是操作簡單,成本較低,只需在待測部位加工出螺紋孔,安裝硬度塞即可進行試驗,無需熱電偶導線和其它試驗系統(tǒng)裝置。圖1.1該測試方

9、式只能得到某一工況下的最高溫度。在試驗前必須確保螺釘安裝的準確、可靠性及空隙,防止螺釘蹦出螺孔。1.2.2殘留硬度法利用鋁合金在高溫狀態(tài)下硬度降低現(xiàn)象,直接進行活塞溫度分布測量,這是應用硬度法測溫度的簡易原理。該測量方法是通過從與被測活塞相同的活塞(鑄造后,熱處理前,未加工) 上切下適合溫度測量的一定厚度的圓板,在測溫的一面適當加工,放在恒溫爐中,在測定溫度范圍內(nèi)每隔25 依次保溫10 小時、25 小時,然后在常溫下測量其硬度,并繪制該合金的硬度- 溫度曲線。再將被測活塞裝入發(fā)動機中,在一定的轉(zhuǎn)速、負荷下運轉(zhuǎn),其運轉(zhuǎn)時間和與制取硬度- 溫度曲線相同。在實驗過程中,發(fā)動機點火提前角、供油量、油溫

10、、水溫以及影響溫度的因素應盡量保持恒定,特別是不允許產(chǎn)生爆震等異常燃燒現(xiàn)象。試驗后取出活塞,從活塞上切下預測溫部分,用硬度計測量硬度。然后利用已制成的硬度- 溫度曲線,把硬度換算成溫度。此種方法測量精度更低,不適用于測量活塞溫度的絕對值,但它卻是測量活塞溫度分布的較好方法。為了避免相鄰測點間的硬度影響,測點間隔一般不小于4mm ,測點距離邊緣距離也要大于4mm。1.2.3易熔合金法易熔合金法的原理是利用純金屬或共晶轉(zhuǎn)變的各種不同成分的合金有不同熔點這一物理特性進行試驗,見圖1.2。易熔合金的冶煉需要有專門的技術,熔點一般在90400 之間。圖1.2利用易熔合金測量溫度的關鍵是預先估計所測部位的

11、溫度大致范圍及易熔合金絲的裝配質(zhì)量。在安裝易熔合金時,須以不破壞原零件的溫度場和傳熱為原則(這也是其它測試方式的原則) 。如果易熔合金絲與零件上的孔之間接觸不良、積炭、殘留合金或有小變形,或者燃氣進入縫隙等情況,將導致熱阻增大或改變熱流方向,都會影響測試的準確性和精度。為了能較準確地測出測試部位的溫度,應在欲測部位裝入能包含該溫度的幾個相連續(xù)溫度的易熔合金絲。在裝配易熔合金之前,活塞要經(jīng)過充分磨合, 并將發(fā)動機性能調(diào)整至正常狀態(tài)。將裝好易熔合金的活塞裝入發(fā)動機,再稍加磨合。在磨合時,應在小負荷工況下磨合,并特別注意控制發(fā)動機冷卻水溫、油溫以及避免爆震燃燒和猛轟油門。易熔合金絲直徑有的采用2.

12、7mm。為了使易熔合金絲和孔接觸良好,可用專用工具輕輕敲實,其頂部應修整成與零件表面齊平,并用帶孔沖頭收口,避免易熔合金絲受振動或慣性力的作用而竄出。測溫結束之后,檢查活塞易熔合金的熔化情況,對個別測溫點所裝易熔合金絲全部熔化或不熔化的情況,應重新選擇易熔合金絲進行試驗。此時應將原測溫孔中的積碳和殘留合金等清理干凈之后,再裝入新的易熔合金絲。特別注意的是,第二次測試時,發(fā)動機工況、冷卻水溫、油溫等試驗條件應保持與第一次相同。應盡量減少重裝次數(shù),若重復三次以上,則測試精度很難達到要求。值得注意的問題是,應將安裝易熔合金絲的位置、順序、熔點值記牢,不要把易熔合金絲弄錯,以免難于分析原因。 1.2.

13、4四連桿機構法圖1.3以上測試方法均屬于非電量測量法。還有一種熱電偶測量溫度法,通過熱電偶導線把活塞溫度傳出發(fā)動機外,屬于接觸式測量,需要有專門的機構把熱電偶導線引出發(fā)動機。一般采用四連桿機構法,如圖1.3 所示。把熱電偶線固定在特制的聯(lián)接機構上,以防止熱電偶絲發(fā)生折斷。當活塞在發(fā)動機內(nèi)部上下運行過程中,關節(jié)A 既作直線運動又作旋轉(zhuǎn)運動,而關節(jié)B 以通過搖臂6 的銷的支點C 為中心作擺動運動。為了使連桿機構在運動過程中不與連桿、曲軸、缸體等零件相碰,支點C 的位置應于關節(jié)A 上下止點的中間水平位置,并在同一平面內(nèi)。該方式結構復雜,容易發(fā)生故障。1.2.5紅外遙測法最近山東濱州渤海活塞股份有限公

14、司成功應用了紅外遙測方式測量活塞溫度場分布,該法屬于電量測量法。它利用紅外線作為溫度信號的鏈接,延長了測量裝置的信號,顯著提高了信號傳輸?shù)目煽啃?。組成及性能簡介如下:1.2.5.1 發(fā)射信號的載體采用紅外線:紅外線具有穿透力、抗干擾能力強的特點,可以在復雜的電磁環(huán)境中有效地提高抗干擾的能力,減小數(shù)據(jù)傳輸中的誤差。1.2.5.2 信號發(fā)射裝置的能源供應:發(fā)射機構是利用紅外線的發(fā)射機構進行紅外線的發(fā)射,對試驗用電源提出了極高的要求,需承受高達6004000 g/s2 的加速度,同時必須具有抗高溫、抗振動性能。1.2.5.3 溫度傳感器:常用的有熱電偶、熱敏電容、熱敏電阻等。由于熱電偶測溫范圍寬、安

15、裝方便等特點,在內(nèi)燃機溫度測量中得到了廣泛的應用。同時熱電偶屬于國際標準化產(chǎn)品,參照熱電偶的熱電特性曲線,綜合考慮測量范圍和線性情況,我公司選用的是K型熱電偶。圖1.4 為標準熱電偶熱電動勢曲線。圖1.4試驗中,熱電偶導線必須經(jīng)過絕緣處理或兩導線之間填充絕緣材料,以防止改變熱流,影響測量精度。熱電偶絲把活塞溫度值迅速傳輸,利用活塞上安裝的電路板,把溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號;而安裝在活塞上的紅外線發(fā)射機構負責將信號發(fā)射出去;信號由安裝在油底殼的接收部分接收,復原成溫度信號傳出發(fā)動機外。通過接口電路傳給計算機,由計算機進行活塞溫度的后續(xù)處理。圖1.5 所示為遙測系統(tǒng)原理圖。國外發(fā)動機研究所的試驗，

16、其工作原理也是利用紅外遙測技術,其最高溫度可達314 ,而發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速最大是5000r/min。圖1.5在活塞設計初期期望更快速、更詳細、更高活塞組件性能的設計,這就要求新型高精度測量技術與之適應。1.3有限元分析的基本原理及優(yōu)缺點1.3.1 有限元分析的基本原理有限元方法的基礎是變分原理和加權余量法，其基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分 方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式 ，借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。利用有限元法進行溫度場分析的基本思想是3：將一個連續(xù)

17、的整體進行離散化,分割成彼此用節(jié)點相連接的有限個單元,建立單元的泛函疊加而得到的整個結構的泛函關于溫度的表達式,再由求泛函極值的方法,得到以結構節(jié)點溫度為未知數(shù)的線性方程組,解之可以求得結構節(jié)點的溫度值。對于所計算的活塞,無內(nèi)熱源,邊界為對流換熱邊界條件,屬于第三類邊界條件,換熱系數(shù)和介質(zhì)溫度(活塞的環(huán)境溫度) Tf 根據(jù)實測溫度和計算結果估計。則其傳熱方程為:對應的泛函公式為:式中,為導熱系數(shù),W/ (mK) ;為對流換熱系數(shù),W/ (m2K) ; Tf 為介質(zhì)溫度; S 為活塞邊界。劃分單元的泛函表達為:活塞的總的泛函為:泛函取極值的條件為:其中,Jc 為單元與整體邊界重合部分; N 為節(jié)

18、點總數(shù)。1.3.2有限元法的特點1.3.2.1有限元法的優(yōu)點 在當前眾多的CAE的技術中，有限元法(Finite Element Method：FEN)能廣泛被人們接受，而且應用領域也越來越廣泛，很顯然有它自身的優(yōu)點: (1)有限元法將整個系統(tǒng)離散為有限元個單元，利用能量最低原理與泛函數(shù)值定理將整個系統(tǒng)的方程轉(zhuǎn)換成一組線性聯(lián)立方程組，從而可以用多種方法對其求解。 (2)有限元法在分析計算過程中邊界條件不進入單個有限元方程，而是在得到整個代數(shù)方程后，再引入邊界條件。這樣，內(nèi)部和邊界上的單元都能采用相同的場變量模型。同時，當邊界改變時，內(nèi)部場變量模型不需要改變。因此整個處理過程簡明。 (3)有限元

19、法不需要適用于整個物體的插值函數(shù)，而只需要對每個子域單元采用各自的插值函數(shù)，這就使得其對復雜形狀的物體也能適用。(4)有限元法能夠很容易求解非均勻連續(xù)介質(zhì)，而其他方法處理非均勻性則很困難。該方法還能夠在不同層面上得到闡釋或理解，對于線性或非線性場合也能適用。(5)該方法能夠在不同層面上得到闡述或理解。對有較深數(shù)學知識的人來說，完全可以用數(shù)學語言來描述，并獲得嚴格的推理。而對一般工科學生來說，可以只從物理層面上得到理解。1.3.2.2有限元法存在的不足 有限元分析方法也有不足，最主要體現(xiàn)在如下應用問題上: (1)有限元法在對整個區(qū)域做離散處理時，尤其是在對復雜零件問題的分析上，需要龐大的資料輸出

20、空間與計算機內(nèi)存，所耗費的計算資源是相當驚人的。 (2)對無限區(qū)域問題，有限元法處理起來比較困難。 (3)盡管現(xiàn)在的有限元分析軟件提供了網(wǎng)格自適應方法和自動劃分技術，但到底采用什么樣的單元、網(wǎng)格密度多大合適等問題完全依賴于經(jīng)驗，而且對于六面體單元的網(wǎng)格自適應和自動化分技術還不完善。 (4)有限元分析法并不是計算輔助工程的全部。一個完整的機械設計不能單獨使用有限元分析法來完成，有限元分析法所做的分析只是整個設計流程中的一部分或大大部分，必須結合其他分析軟件和工程實踐才能完成全部的工程設計問題。1.4 有限單元軟件ANSYS發(fā)展概述ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用

21、有限元分析軟件4。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD工具之一。CAE的技術種類有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),邊界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應用的領域，而其中有限元法應用的領域越來越廣，現(xiàn)已應用于結構力學、

22、結構動力學、熱力學、流體力學、電路學、電磁學等。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析

23、及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。ANSYS發(fā)布10.0新版本美國賓夕法尼亞州6月2日消息：作為優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)流程的仿真技術及軟件的開發(fā)者和革新者，ANSYS公司（納斯達克股票代號：ANSS）今天發(fā)布ANSYS 10.0新版本。新版本在性能、易

24、用性、協(xié)同工作及耦合技術，如流固耦合，等方面有很大提高。10.0新版本是在目前的9.0軟件的基礎上研發(fā)的，與其有很好的兼容性，將于7月正式投入市場。延續(xù)了ANSYS一貫強大的耦合場技術，10.0版本為復雜的流固耦合（FSI）問題提供了更完善的解決方案。該版本整合了世界一流的應力分析和流體分析技術，形成了一套完整的FSI解決方案。通過適合于特定場要求的網(wǎng)格劃分，一個單一的幾何體可以應用于兩種場。該版本提供了有效地解決FSI動力學分析的信息交換功能。目前市場上沒有任何其他的FSI軟件可以提供如此強大的穩(wěn)健性和高度的精確性分析。另外，該版本可以在多個機群進行并行處理解決超大模型。“ANSYS 10.

25、0代表了最先進的CAE整合技術，較9.0有了顯著的提高” ，ANSYS公司總裁兼首席執(zhí)行官Jim Cashman說，“我們一直致力于拓展ANSYS仿真技術的廣度和深度，同時建立各種類型的仿真分析軟件的空前大連盟。得益于ANSYS Workbench整合CAE技術的架構，我們創(chuàng)建了建模、仿真、分析、前后處理的一系列無縫鏈接。10.0新版本整合了世界上最優(yōu)秀的結構、熱、流體等分析功能。”ANSYS10.0加入了旋轉(zhuǎn)機械和葉片設計工具，豐富了Workbench環(huán)境下的行業(yè)化功能。即ANSYS BladeModeler，一款針對旋轉(zhuǎn)機械葉片構件的高效的三維設計工具；以及ANSYS TurboGrid，

26、一款高質(zhì)量的葉片設計六面體網(wǎng)格劃分工具?！敖Y合了ANSYS CFX和渦輪專用的前后處理CFD功能，10.0版本提供了渦輪機械設計和分析完整的解決方案，”ANSYS公司副總裁兼總經(jīng)理Chris Reid說，“應力分析、計算流體動力學分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通過CAD系統(tǒng)連通性，可以把模型擴展到上下游部件，最終完成整個模型的分析。ANSYS Workbench是提供此功能上獨一無二的環(huán)境，借此空氣動力學工程師可以進行CFD設計，同時確認結構特征。這將大幅度縮短設計流程?！痹跈C械應用領域，ANSYS 10.0包括了ANSYS Workbench下全部的熱瞬態(tài)分析功能。這不僅幫助用戶進行

27、非常復雜的時域仿真，同時ANSYS Workbench也可自動完成很多建模和求解工作。這樣可以輕松快速地求解設備在一定運行時間內(nèi)的熱性能。為了滿足日益增加的對大型復雜問題及時有效的分析需求，ANSYS 10.0的并行求解器如今可增加了對CPU和通信技術的選擇余地。除了支持Ethernet和Gigabit Ethernet，ANSYS 10.0還支持Myrinet和InfiniBand。相對于以前的架構，ANSYS 10.0能以最少的成本滿足高性能的機群計算。本著以低成本硬件設備提供高性能解決方案的目標，ANSYS Workbench現(xiàn)可支持Windows XP 64位機的AMD和EMT64芯片

28、集。此項改革解決了許多用戶在Windows操作系統(tǒng)下運行大型模型所面臨的2GB內(nèi)存限制。另外，它也使得ANSYS用戶不再需要寫硬盤就能完成整個求解，從而節(jié)約求解時間。對于用戶，這將幫助他們更加經(jīng)濟有效地解決大型模型問題，如那些低頻穩(wěn)態(tài)和全瞬態(tài)電磁分析問題。ANSYS 10.0并行求解器可以解決高于一億自由度的大型電磁問題，在CAE行業(yè)獨樹一幟。在高頻電磁領域，10.0版本提供了一個新的模式端口。此端口大大簡化了集成電路（IC）、射頻識別(RFID)和射頻微機電系統(tǒng)(MEMS)等多種設備分析傳輸線端口的建模。標準算例顯示，利用此端口建模，可以顯著縮小模型尺寸，在保證精確的頻域計算結果前提下，節(jié)約

29、30到50的求解時間和內(nèi)存需求。新版本增加了旋轉(zhuǎn)機械的陀螺效應，它提高了ANSYS對渦輪機械和其他旋轉(zhuǎn)結構的轉(zhuǎn)子動力學分析的能力。 在耦合場領域，結構熱電磁三場耦合分析中增加熱彈阻尼(TED)，一個在金屬、制陶及MEMS領域非常重要的內(nèi)耗裝置。ANSYS繼續(xù)Workbench主旋律，提供我們的用戶可供選擇的全自動或個人控制的強大分析軟件。我們在核心的網(wǎng)格處理技術上有十足的增強，在ANSYS Workbench各個應用程序間共享網(wǎng)格。另外，雙向參數(shù)互動的CAD接口的穩(wěn)健性也得到了提高。ANSYS® ICEM CFD 10.0通過混合網(wǎng)格剖分新功能和CAD模型細節(jié)處理功能，提供了完整的一系

30、列網(wǎng)格劃分工具以模擬真實世界，如汽車引擎罩下的散熱分析和汽車碰撞分析。“ANSYS 10.0是ANSYS跨出的又一大步，在每種場都是這樣，也包括各種場在ANSYS Workbench的耦合，”ANSYS公司副總裁兼總經(jīng)理Mike Wheeler說，“沒有其他任何一家CAE公司可以與我們相匹敵，在一個單一的CAE環(huán)境下提供如此廣泛的解決方案?！盇NSYS DesignSpace 通過DesignSpace，設計工程師可以在產(chǎn)品設計階段對3D CAD中生成的模型（包括零件和裝配件）進行應力變形分析、熱及熱應力耦合分析、振動分析和形狀優(yōu)化，同時可對不同的工況進行對比分析。ANSYS/DesignSp

31、ace擁有智能化的非線性求解專家系統(tǒng)，可自動設定求解控制，得到收斂解；用戶不需具備非線性有限元知識即可完成過去只有專家才能完成的接觸分析。ANSYS軟件提供的分析類型如下：1.結構靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。2.結構動力學分析結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力

32、學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。3.結構非線性分析結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。4.動力學分析ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。5.熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱結構耦合分析能力。6.電磁場分

33、析主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。7.流體動力學分析ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。8.聲場分析程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結構的動態(tài)特性。這些功能可用來確

34、定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。9.壓電分析用于分析二維或三維結構對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設備的結構動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。 實體建模 ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自

35、底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球 、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊 、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個實體模型。ANS YS程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結和重疊。在創(chuàng)建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作 能減少相當可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括 圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體

36、、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和 刪除。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。 網(wǎng)格劃分 ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由 劃分和自適應劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后 選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了 用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝

37、時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶 指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差 低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。 分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也

38、可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。其中，ANSYS進行熱分析計算的基本原理是所處理的對象首先劃分成有限個單元（每個單元包含若干個節(jié)點），然后根據(jù)能量守恒原理求解一定邊界條件和初始條件下每一節(jié)點處的熱平衡方程，由此計算出個節(jié)點溫度值，繼而進一步求解出其他相關量。第二章 活塞模型的建立，導入和劃分單元2.1 活塞的建模和模型的導入本文中，先在 Pro/Engineer 中先畫出此汽油機活塞的截面的一半，

39、然后以截面的中心一端，即活塞的中心線為軸旋轉(zhuǎn)180進行活塞的建模。得出活塞的二分之一的圖形。再畫上活塞銷孔和肋板。最后進行部分的圓角等修改。就得出如圖2.1所示二分之一活塞模型。圖2.1 在 Pro/Engineer 中建立的活塞模型建立好模型后，下來要往有限元分析軟件ANSYS里進行導入。導入模型。打開 ANSYS 軟件，Utility Menu File Import IGES 。如圖2.2所示，點擊OK。然后在彈出的 Import IGES File 中點擊 Browse 在文件夾里選擇剛畫好的 Pro/Engineer 圖形（在Pro/Engineer的保存路徑里），如圖2.3中所示，

40、點擊OK，圖形即被成功地導入到ANSYS中，如圖2.4。圖2.2 Pro/Engineer中所建模型的導入步驟一圖2.3 Pro/Engineer中所建模型的導入步驟二圖2.4 成功導入到ANSYS里的模型2.2模型的設置及模型的網(wǎng)格劃分2.2.1 模型參數(shù)的設置2.2.1.1確定jobname、title 依次點擊Utility Menu File change jobename 輸入HUOSAI REFENXI。依次點擊Utility Menu File change title 輸入Steady-state thermal analysis of HUOSAI5。2.2.1.2定義單元類

41、型，設定單元選項 本文中，把將要劃分的模型節(jié)點及單元設置為十節(jié)點四面體單元。彈性模量設置為，泊松比設置為0.3，材料密度設置為，導熱系數(shù)設置為。進入PREP7前處理。依次點擊Main Menu: Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete,選擇SOLID87(即十節(jié)點四面體單元)。然后依次點擊Main Menu: Preprocessor Material Prop Structural Linea rElastic Isotropic，如圖2.5，在EX里填寫6.86E+010（彈性模量），在PRXY里填寫0.3（泊松比0.3）。依次點擊Main Me

42、nu: Preprocessor Material Prop Structural Density，如圖2.6，在DENS里填寫2800（材料密度）。依次點擊Main Menu: Preprocessor Material Prop Thermal Conductivity Isotropic，如圖2.7，在KXX里填寫130（導熱系數(shù)）。圖2.5 彈性模量和泊松比的設置圖2.6 密度的設置圖2.7 導熱系數(shù)的設置2.2.2有限元網(wǎng)格生成2.2.2.1有限元網(wǎng)格生成技術概述有限元網(wǎng)格模型的建立通常需要非常大的工作量。隨著有限元技術的廣泛使用，有限元網(wǎng)格生成技術和可視化研究得到發(fā)展，基本上可分兩

43、種類型：（1）直接建立節(jié)點、單元模型 由于軟件功能相對有限，早期的有限元模型只能采用手工方式建立，但軟件的可視化方面已有較大進步。對于發(fā)動機中某些具有重復結構的零件，可以首先通過手工建立一部分節(jié)點和單元，然后通過旋轉(zhuǎn)拷貝、平移拷貝合并等操作建立整個模型，從而得到較高的建模效率。用這種方法建立有限元網(wǎng)格模型的缺點是需要較多的時間和人力，對于大規(guī)模的復雜結構，模型可能因此作較大的簡化，而且節(jié)點坐標、單元信息、邊界條件均需手工計算;優(yōu)點是它具有易于控制單元類型、節(jié)點密度等優(yōu)點，現(xiàn)在許多具有很強的前處理功能的大型有限元分析軟件仍保留著這種建模方式，隨著軟件在交互性、可視化方面的發(fā)展，這種建模方式在使用

44、方便性上有了較大的提高。（2）基于幾何模型自動生成節(jié)點、單元模型 近年來，有限元法前處理技術中的一個特點是引入CAD幾何造型(特別是三維實體造型)技術。以幾何模型為載體，可以自動生成相應的有限元網(wǎng)格模型。用這種方法生成網(wǎng)格，可以通過指定不同區(qū)域的單元大小來控制網(wǎng)格密度使之合理。這種基于三維實體模型建立有限元網(wǎng)格的技術符合CAD并行工程的要求。現(xiàn)代CAD并行工程要求分析模型能充分利用設計主模型，并與設計主模型相關一致，這顯然可以極大地提高分析結果的可信度，同時也大大提高了有限網(wǎng)格模型的生成速度和分析效率，這對于有限元分析的實際應用具有重要意義。通過許多大型CAD軟件(UGTM，Pro/Engin

45、eerTM等)，幾乎可以不加簡化地建立發(fā)動機中許多復雜零部件的有限元網(wǎng)格模型。目前，發(fā)動機的主要零部件包括機體、缸蓋、曲軸、活塞、連桿、增壓器、渦輪、壓氣機等，都可以根據(jù)CAD實體模型直接建立非常精確的有限元模型，為這些以前幾乎無法進行可靠性的零部件，提供了一條可行的設計途徑。2.2.2.2模型的劃分一般來說，單元劃分得越小，單位區(qū)間或空間內(nèi)所容納的單元數(shù)量越多，計算精度就會越高。但單元數(shù)量的增加會帶來運算速度的下降，因此在實際建模和網(wǎng)格劃分過程中需根據(jù)具體情況靈活處理。比如，在模型中形狀復雜或溫度變化劇烈的區(qū)域把單元劃分的密一些；而在其余地方則可以把單元適當劃分疏一些。這樣就無須增加單元和節(jié)

46、點數(shù)，即可提高計算精度。為使熱量分散的區(qū)域計算結果更精確和保證計算速度不至于太慢，本文中將活塞劃分為上下兩個部分，采用上下分別劃分的方法，上面劃分的較細，網(wǎng)格較密，下面劃分的較粗，網(wǎng)格較疏。將活塞劃分為上下兩個部分的操作步驟：分別點擊Utility Menu WorkPlane Offset WP by Increments ,在X.,Y,Z Offsets中輸入0，43，0（將坐標系上移43個單位）；在XY,YZ,ZX Angles框中輸入0,90,0（將坐標系以X軸旋轉(zhuǎn)90度），點擊OK;依次點擊：Main Menu Preprocessor Modeling Operate Boolea

47、ns Divide Volu by WrkPlane(進行布爾操作)。此時活塞劃分成上下兩個部分，如圖2.8。圖2.8 劃分為上下兩部分的活塞活塞網(wǎng)格劃分：依次點擊Main Menu: Preprocessor Meshing Size Cntrls ManualSiza Global Size 在 Element edge length 里設置為1（活塞網(wǎng)格單元大小設置）。再依次點擊Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Volumes Free，彈出Mesh Volumes對話框在圖形中選擇活塞的上面部分，點擊OK，對活塞的上半部分進行劃分。再依次點擊Ma

48、in Menu: Preprocessor Meshing Size Cntrls ManualSiza Global Size 在 Element edge length 里重新設置為0。鼠標依次點擊Main Menu: Preprocessor Meshing Size Cntrls SmartSize Basic ，在新彈出的對話框Basic SmartSize Settings里選擇3，對活塞下面部分劃分質(zhì)量的等級進行設置，點擊OK。再依次點擊Main Menu: Preprocessor Meshing Mesh Volumes Free，彈出Mesh Volumes對話框在圖形中選

49、擇活塞的下面部分，點擊OK，對活塞的下方部分進行劃分。劃分好的活塞，共計有個節(jié)點和個單元。如下圖2.9和圖2.10所示：圖2.9 劃分后的實體(1)圖2.10 劃分后的實體(2)第三章 活塞溫度場計算及分析3.1邊界條件的確定為了使得每一節(jié)點的熱平衡方程具有唯一解,需要附加一定的邊界條件和初始條件,這些條件稱為定解條件。進行活塞熱負荷研究的關鍵在于是否能夠得到一套精確的熱邊界條件6. 由于柴油機工作過程中活塞的換熱情況比較復雜,熱交換邊界條件受到燃燒結構形狀、燃燒方式、冷卻方式及冷卻介質(zhì)熱物性等很多因素的影響，因此使得精確確定活塞的換熱系數(shù)十分困難。關于活塞換熱邊界條件的計算，至今仍然是國內(nèi)外

50、內(nèi)燃機科技工作者所要解決的難題。文獻7通過對活塞的換熱系數(shù)變化規(guī)律的研究提出自適應迭代法找出換熱系數(shù)的迭代關系式。通常確定換熱系數(shù)的方法是根據(jù)經(jīng)驗或半經(jīng)驗的計算公式計算或估算而給出的8,9。用這種方法得到的熱交換邊界條件來計算活塞的溫度場,其計算精度能滿足工程需要. 本文中以16V280ZJB為例對活塞邊界條件的計算方法進行介紹。確定熱交換邊界條件主要是要確定組合活塞各邊界與高溫燃氣、冷卻水、冷卻油以及與曲軸箱內(nèi)油霧之間的熱交換系統(tǒng)和相應的介質(zhì)溫度.3.1.1活塞頂燃氣側換熱邊界條件的確定活塞的熱負荷是根據(jù)柴油機的理論示功圖,通過采用工作循環(huán)熱力學計算法算出氣缸內(nèi)的瞬時燃氣溫度Tg , 選用目

51、前通用于大功率柴油機的Woschni 經(jīng)驗公式4 來計算出燃氣對壁面的瞬時對流換熱系數(shù)hg (Wm- 2K- 1) .式中: d 為壁面直徑,mm; vm 為活塞平均速度,ms - 1 ; pg 為瞬時燃氣壓力,105 Pa ; Tg 為瞬時燃氣溫度,K; 104 ,屬于充分發(fā)展的湍流受迫流動,對于管內(nèi)充分發(fā)展的湍流換熱,可采用Dittns2Boelter 公式:式中: N u 為努塞爾數(shù); Re 為雷諾數(shù); Pr 為普朗特數(shù); D當為水套的當量尺寸;f 為導熱系數(shù),其值為0. 68 Wm- 1K- 1 . 根據(jù)冷卻水的參數(shù),可以求出組合活塞在工作狀態(tài)下,水套內(nèi)冷卻水在已知水溫下的普朗特數(shù)Pr

52、 為1. 95. 根據(jù)水套的幾何尺寸求出其當量直徑D當,代入式(3) , 則缸套和冷卻水之間的換熱系數(shù)hw 為3 595. 05 WmK- 1 .3.1.4火力岸部位的換熱系數(shù)式中: a1 為火力岸與缸套之間的間隙,m; b1 為缸套厚度,m;1 為燃氣的導熱系數(shù),Wm- 1K- 1 ;2 為缸套的導熱系數(shù),Wm- 1K- 1 .3.1.5環(huán)區(qū)部分的換熱系數(shù)h環(huán)區(qū)在環(huán)區(qū)部分,熱量是從活塞環(huán)槽同活塞環(huán)之間的潤滑油膜開始經(jīng)活塞環(huán)到氣缸壁而傳至冷卻水的. 由于活塞環(huán)徑向尺寸、油膜厚度、缸壁厚度都比活塞直徑小得多,故采用多層平壁傳熱的情況來研究.式中: c 為環(huán)上沿間隙,m; b 為缸套厚度,m; d

53、 為環(huán)中心間距,m;3 為活塞環(huán)的導熱系數(shù),Wm- 1 K- 1 .3.1.6組合活塞接觸部位換熱系數(shù)的確定對于鋼頂鋁裙組合活塞頂部環(huán)形接觸區(qū)域的換熱系數(shù),即兩個金屬表面之間的接觸熱阻主要取決于這兩個表面的實際接觸導熱性和接觸表面不平度之間所存在的介質(zhì)導熱性,兩個金屬表面之間的接觸熱阻可由下式來計算:式中: R 為接觸熱阻,Wm- 2K- 1 ;c 為接觸表面間所存在的介質(zhì)的導熱系數(shù),Wm- 1 K- 1 ; hc1和hc2分別為兩個表面的微觀不平度平均高,m; p 為接觸表面之間的單位壓力,Pa ;B 為接觸表面材料的強度極限值,Pa ;M為接觸表面材料的導熱系數(shù),Wm- 1K- 1 ,如兩

54、表面的材料不同可取M = 2M1M2/ (M1 +M2) ,M1和M2分別為兩種材料的導熱系數(shù).3.1.7活塞內(nèi)冷油腔的換熱系數(shù)高強化柴油機組合活塞的冷卻方式主要有兩種,一是通過曲軸、連桿和活塞銷的供油方案；二是噴嘴直接供油等. 由于供油方式的不同,活塞表面的換熱系數(shù)計算方法也不同. 16V280ZJB 機車柴油機采用通過曲軸、連桿和活塞銷的供油,具有振蕩油腔的組合活塞,對這種油腔,一般采用管流試驗數(shù)據(jù)綜合出來的Bush 經(jīng)驗公式10:式中: D3為換算直徑, D3= D當/ b , b 為內(nèi)腔的平均高度,m.經(jīng)計算,組合活塞環(huán)形冷卻油腔的油量直徑D當為33. 6 mm ,平均高度b 為20

55、mm ,故D3為1. 68 ;而中央冷卻油腔的當量直徑D當為42. 43mm ,平均高度b 為22 mm ,故D3為1. 93. 因此中央振蕩冷卻油腔內(nèi)的平均換熱系數(shù)和周圍環(huán)形冷卻油腔的平均換熱系數(shù)就可以求出.3.1.8活塞裙內(nèi)腔與油霧的換熱系數(shù)活塞裙內(nèi)腔和油霧之間還沒有一個精確的換熱關系式,但根據(jù)熱平衡關系,在穩(wěn)態(tài)時流入的熱量等于流出的熱量,結合傅立葉公式和牛頓公式即可算出內(nèi)腔的換熱系數(shù)式中: h 為活塞裙內(nèi)腔與油霧的換熱系數(shù),Wm- 1K- 1 ;p 為活塞裙部材料的導熱系數(shù),Wm- 1 K- 1 ;p 為活塞頂中央和正下方的活塞裙內(nèi)腔壁厚,m; tw1 為活塞頂?shù)臏囟? K; tw2 為活塞裙內(nèi)腔的溫度,K; toi1為活塞裙內(nèi)腔油霧溫度,K.本文當中，在參考了眾多論文和相關文獻后，依據(jù)活塞的型號和使用場所，對做了一些假設，如假設活塞模型為對稱的，所以只畫出了二分之一的模型，且對其中一些細小的倒角有所忽略。然后對其設定了對應的邊界條件。所設邊界條件如下： 攝氏度 邊界條件（K） 換熱系數(shù)（）頂部 325 600 500氣環(huán)區(qū) 245 520 2100油環(huán)區(qū) 225 500 2000底部 120 39