摘 要

随着工业化的发展，发动机的需求现状已经逐步向大功率、高负载、低排放等方向迈进。这对于发动机材料要求就会变得越来越严格，而活塞作为发动机的主要零部件，它的工作环境复杂且恶劣。在发动机正常运行过程中，活塞顶部直接与高温高压的燃气接触，且随着它在缸套内运行位置的改变，而产生周期性交变的热负荷和机械负荷。在这二者的双重作用下，活塞经常会出现局部烧损与断裂、表面拉伤、严重磨损等现象。导致发动机的使用寿命大大减少。本文针对于某发动机的钢质活塞为研究对象，以有限元理论分析为基础，使用ANSYS workbench仿真软件对该活塞进行稳态温度场的数值仿真。根据仿真得到的温度场分布云图和热流密度云图进行活塞的热负荷分析。

本文的主要内容是：首先根据该活塞的二维图，运用Solid Works三维绘图软件对该活塞进行实体建模；其次将该模型导入ANSYS workbench中，添加物理参数，采用自由网格划分方式进行网格划分；然后运用示功图和经验公式求出活塞的边界条件；最终得出比较精确的活塞稳态温度场分布。

关键词：发动机;活塞;温度场;有限元分析.

Abstract

With the development of industrialization, the engine demand situation has gradually to high power, high load, low emissions and other direction. This will become more and more stringent for engine material requirements, and the piston as the main parts of the engine, its working environment is complex and bad. During the normal operation of the engine, the top of the piston is directly in contact with the high temperature and high pressure gas, and with its change in the position of the cylinder in the cylinder, resulting in periodic alternating heat load and mechanical load. In the dual role of the two, the piston will often appear local burning and fracture, surface strain, serious wear and tear and so on. Resulting in greatly reduced service life of the engine. In this paper, the steel piston of engine is taken as the research object. Based on the finite element analysis, the numerical simulation of steady temperature field is carried out by using ANSYS workbench simulation software. The heat load analysis of the piston is carried out according to the simulated temperature field distribution cloud diagram and the heat flux density cloud.
The main contents of this paper are as follows: Firstly, the piston is modeled by Solid Works 3D drawing software according to the two-dimensional map of the piston. Secondly, the model is imported into ANSYS workbench, and the physical parameters are added. And then use the dynamometer and empirical formula to find the boundary condition of the piston. Finally, a more accurate steady-state temperature field distribution of the piston is obtained.

Key words： engine; piston; temperature field;finite element analysis.

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究课题的背景及意义 1

1.2国内外的研究现状分析 2

1.2.1活塞温度场研究现状 2

1.2.2活塞数值仿真现状 3

1.3本文的主要工作 4

1.3.1本文研究对象 4

1.3.2本文的主要内容 5

第二章 发动机活塞的热分析相关理论 6

2.1发动机活塞的导热微分方程 6

2.2热分析的三类边界条件 7

2.3活塞传热问题的有限元解法 8

第三章 活塞的稳态温度场仿真计算 9

3.1活塞稳态温度场 9

3.2活塞的材料参数 9

3.3 活塞三维模型的建立 10

3.4 活塞模型的网格划分 11

3.5 稳态温度场分析的边界条件 13

3.6活塞的稳态温度场的仿真计算与结果分析 17

第四章结论与展望 21

4.1全文总结 21

4.2展望 22

参考文献 23

致 谢 26

第一章 绪论

1.1研究课题的背景及意义

自第一台发动机出现以来已经有三百多年的历史了，在发动机的发展中，它是从蒸汽机开始，到外燃机最终到内燃机。苏格兰的R. Stirling在1861年发明了外燃机之后由瓦特改良的蒸汽机都属于典型的外燃机，它是使水加热产生大量的水蒸气形成高压，然后推动机械做工，从而完成热能向动能的转变。世界上第一台四冲程内燃机是由伟大的德国发明家奥托设计的。开启了内燃机时代，同时发动机开始了飞速的发展，经过了几代人呕心沥血的贡献，发动机的技术有了很大的进步更是达到了一个几乎完善的地步。在汽车、船舶、航空等方面得到了广泛的应用。

随着科学技术的进步发动机的技术也越来越高超，例如可变气门正时技术、双顶置凸轮轴技术、缸内直喷技术、高压喷射燃油技术、涡轮增压技术等的出现^[1]，使得发动机燃烧室中的气缸套的内表面、活塞头部、气缸盖下表面等部位承受越来越多的热负荷和机械负荷。这就要解决这些关键零件的高热负荷问题。因此对发动机材质的强度要求也越来越高，作为发动机燃烧室的核心运动件之一的活塞的材质尤为重要，因为在发动机正常运行过程中，发动机的气缸盖、活塞、气缸套等燃烧室的组成部分工作状况十分恶劣，在这三者中活塞的工作环境更为恶劣。第一是因为活塞在往复循环的工作过程中直接与高温高压的燃烧油气接触，而且很多发动机的燃烧油气最高温度可达2000℃以上，在其缸内的热传递其中一部片是由滑油冷却带走的，一部分是由活塞传递给缸套，但是由于缸套的本身温度也比较高和它表面的润滑油膜会阻碍其热量的传递，从而导致热传递效率降低。因此活塞处于一个高热负荷的工况下工作。其中活塞的顶部是直接与燃烧油气接触，最高瞬时温度可达2200℃^[2]。相对活塞的顶部而言，它的裙部和下部温度相对较低，从而导致活塞的各部位温度差异大，存在温度梯度，从而产生热应力导致热变形。第二是因为活塞在气缸内运行时会受到缸内气体压力、侧推力、自身的惯性力及运动件之间摩擦力等多个力作用，产生的周期性变化的机械负荷。现在一些大型发动机工作时最高爆发压力可达到20MPa以上，在这些强而复杂变化的力的作用下，导致活塞各个部位受力不均匀，因此存在机械应力，从而导致机械变形。第三是因为活塞在高速的往复循环运动过程中，由于受到侧推力的作用和自身的变形，与缸套会产生强烈的摩擦作用，导致活塞被磨损，磨损严重时会发生咬缸、拉缸等失效形式。而且活塞与缸套之间的摩擦作用也会产生一部分热量，一定程度上增加了活塞的热负荷。第四，是由于气缸内温度太高，使一些物质被氧化，例如钠、钒等在高温下的氧化物会对活塞产生一定的腐蚀作用。

活塞作为发动机燃烧室的重要组成件之一，它的设计和材质是否合理直接关系到发动机运行中的可靠性、和使用中的寿命。作对于发动机来说，活塞是它的主要受热部件之一，活塞经常在高温、高速、高压以及冷却不良的工况下长时间工作，因此会受到复杂且变化的机械载荷和高热负荷的作用。对于上述问题，运用温度场数值仿真研究活塞的热负荷及热应力是非常有必要的，我们可以通过对活塞的热负荷及热应力的研究从而增加发动机运行的稳定性与可靠性。钢质活塞是一种新的应用趋势，钢质活塞的热负荷及可靠性研究可以为钢质活塞应用的提供理论参考和数据基础。因此研究钢质活塞受到的热负荷和机械负荷对于发动机的发展具有十分重要的意义。