摘 要

内燃机是目前最普遍运用的发动机之一，在其工作过程中，活塞起到了十分主要的作用，是能量转换传递的重要桥梁，是内燃机的关键部位。随着科技的发展，内燃机的功率越来越大，对活塞的强度和寿命都要求的越来越高。在内燃机工作的时候，活塞的工作环境非常的恶劣，活塞在内燃机的工作过程中，作用是接受缸内高压高温气体的压力，然后作用于活塞销，再传递给曲轴，带动曲轴旋转，对外做功。因此，活塞一直在承受着很高的热负荷和机械负荷，在如此差的工作过程中，活塞比较容易发生开裂、烧蚀等故障，这降低了内燃机工作的可靠性和稳定性。本次进行仿真计算，对活塞的温度场进行了有限元分析，然后分析活塞的热负荷状况并进行热应力分布的分析。从而对活塞的设计、改进以及优化提供参考，对于提高活塞的工作可靠性有非常重要的意义。本次以玉柴机器集团的YC6MK型发动机为研究对象，进行有限元仿真的研究与分析。

1. 首先利用厂家提供的活塞图纸，使用Pro/E进行活塞的三维建模，然后将模型导入仿真软件ANSYS Workbench中划分出有限个网格，然后根据经验公式进行计算，求出活塞稳态温度场的热边界条件。
2. 然后在ANSYS Workbench中输入活塞的各项相关物理参数，材质为JB-2型铝合金，进行活塞稳态温度场的仿真模拟。得到活塞的稳态温度场云图，热流密度云图。
3. 最后，在得出稳态温度场仿真结果的基础上，进行活塞的热负荷分析，以及热应力分布情况，然后提出对活塞的设计、优化等方面的建议。

关键词：活塞；温度场；有限元；数值仿真

Abstract

Internal-combustion engine is one of the most commonly used engine, in its work process, the piston played a very important role, is an important bridge for energy conversion, is the key to the internal combustion engine. With the development of computer technique, the power of internal-combustion engine is growing, the strength and life of the piston are demanded higher and higher. When the internal-combustion engine is working, the working environment of the piston is very bad, the piston in the internal-combustion engine work process, the role is to accept the pressure from high pressure and high temperature gas in the cylinder, and then act on the piston pin, and then passed to the crankshaft, driven crankshaft rotation, external work. So,the piston has been subjected to a high heat load and mechanical load, in this harsh work processthe piston prone to cracking, ablation and other failures, which reduces the reliability and stability of the internal combustion engine. In this paper, the finite element analysis is carried out on the temperature field of the piston, and then the heat load condition of the piston is analyzed and the thermal stress distribution is analyzed. So as to provide a reference for the design, improvement and optimization of the piston, which is very important to improve the working reliability of the piston. The YC6MK engine of Yuchai Machinery Group is my study object, and use procedure to figure up the temperature field distribution of the piston on the basis of the principle of numbered unit analysis.

(1) First I use the drawings of the piston provided by the manufacturer,and build a three-dimensional model in Pro/E. And then put the model to ANSYS Workbench to incise numbered elements. At last figure up the thermal boundary conditions based on empirical formula.

(2) Enter the relevant physical parameters of the piston to ansys sortware, the material for the JB-2-type aluminum alloy, and to simulate the temperature field of the piston. Get the steady-state temperature field diagram of the piston, heat flow density cloud.

(3)Finally, I analyze the heat load of the piston and thermal stress distribution. And then put forward recommendations for the design and optimization of the piston.

Key words: piston；temperature field；PEA；numerical simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 活塞温度场测量技术现状 2

1.2.2 活塞温度场数值仿真现状 4

1.3 本文主要工作 6

1.3.1 本文研究对象 6

1.3.2 本文主要内容 7

第二章 活塞热分析理论基础 8

2.1 传热的基本定律 8

2.1.1 傅立叶定律 8

2.1.2 导热微分方程 8

2.2 传热的三类边界条件 10

2.3 活塞传热问题的有限元解法 11

第三章 活塞稳态温度场的数值仿真 13

3.1 活塞的材料参数 13

3.2 建立活塞的三维立体模型 14

3.3 对模型进行有限元网格化分 15

3.4 活塞稳态温度场的边界条件 17

3.5 活塞稳态温度场的仿真 20

3.6 本章小结 22

第四章 总结与展望 24

4.1 全文总结 24

4.2 展望 24

参考文献 26

附录 28

附录A 28

致谢 29

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

内燃机的发明是工程机械发展史上的一大进步，是重要的分水岭，尤其是随着近年来能源的紧缺以及内燃机功率的提高，尤其是高压燃油喷射技术和涡轮增压技术的出现，内燃机的强化程度也随之越来越高，从而导致活塞这种直接受热部件承受着越来越强的热负荷以及机械负荷。活塞在发动机中属于核心部件，所以对活塞的各种工作数据测量也就至关重要了，这对活塞的制作选材、工艺以及寿命预测都有很大益处。

近年来，对于内燃机的研究重点普遍放在解决高强化指标、低排放内燃机研发过程中关键性能参数的优化问题。具体包括以下几点研究方向：燃烧室各组成部件的应力场和温度场的数值仿真模拟和试验方法，喷雾场及燃烧性能数值模拟与实验方法，和进排气系统与流场数值模拟与试验方法。而在这其中，燃烧室温度场与应力场的仿真与分析是目前研究活塞工作状况的主流方向。

时至今日，人们尚未完全掌握影响内燃机热负荷的规律，其在实测技术方面也仍需进一步研究与发展，目前可以参考的具体研究手段还仅仅局限于稳态温度场数值模拟和利用硬度塞测温的稳态温度场测试，但是这种方法并不能全面反应燃烧室各部件的温度场与应力场的瞬态变化细节。因此无法对燃烧室部件的传热和强度给予有效的评价。而且，往往一个工况下能测量的数据有限，一般需要多次改变发动机工况才能获得足够的数据，费时费力，且又不稳定。而采用数值模拟计算的方法，能很有效的解决此类问题。虽然实验法比数值模拟方法得到的数据准确度要高出很多，但是前者需要复杂的实验设备，经费不菲，且需要较高的技术手段。相对而言，数值模拟方法虽然精度稍显不足，但是在忽略了一些次要因素的影响下，大大减少了研究经费和需要的时间，它良好的经济性和卓越的高效率越来越受到大家的喜爱。