摘 要

柴油机应用广泛，而活塞是柴油机的核心运动件，其在工作过程中受到高温高压燃气的作用导致活塞温度在顶部较高，而裙部和底部温度相对较低，由于温度梯度的存在而产生了热应力。热应力的存在，容易使得活塞产生烧顶、开裂、疲劳失效等征象。

本文以6L16/24型船用中速柴油机柴油机的活塞为研究对象，通过Pro/E软件对给出的活塞三维模型进行简化处理，利用HyperMesh软件对其进行网格划分、材料属性和单元属性的定义等前处理，运用经验或半经验公式，结合实际数据，确定活塞的热边界条件，通过ANSYSY有限元软件将建立好活塞温度场的有限元模型进行仿真计算，并对温度场计算结果进行分析，得出活塞温度场分布规律。

本文通过对活塞温度场的仿真计算，为柴油机活塞的温度场研究和分析提供了一种新的思路，也为活塞的结构改进和优化提供了依据。

关键词：活塞；有限元；仿真计算；温度场

Abstract

Diesel engine is widely used, and the piston is the core of the diesel engine moving parts, the work process by the role of high temperature and high pressure gas caused by the piston temperature at the top of the higher, while the skirt and bottom temperature is relatively low, due to the existence of temperature gradient Thermal Stress．Because the existence of thermal stress, it is easy to make the piston to produce roofing, cracking, fatigue failure and other signs.

The piston model of 6L16 / 24 medium speed diesel engine diesel engine is taken as the research object．The three-dimensional model of the piston is simplified by Pro / E software．HyperMesh software is used to define the meshes, the material attribute and the definition of the element attribute.The finite element model of the piston temperature field is simulated by ANSYSY finite element software, and the calculation results of the temperature field are analyzed to obtain the temperature distribution of the piston．The temperature field distribution of the piston is calculated by using the empirical or semi empirical formula to determine the thermal boundary condition of the piston.

In this paper, through the simulation of the piston temperature field, not only a new way of diesel engine piston temperature field research is provided, but also a basis for the piston structure improvement and optimization is established.

Key words:Piston;Finite element;Simulation calculation;Temperature filed

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容和技术路线 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 技术路线 3

1.4本章小结 4

第2章 理论基础与软件平台 5

2.1 传热问题的理论基础 5

2.1.1 温度场的概述 5

2.1.2 导热微分方程 5

2.1.3 导热微分方程的定解条件 6

2.2有限元法的基本理论 7

2.3 软件概述 8

2.3.1 三维建模软件的概述 8

2.3.2 HyperMesh软件概述 9

2.3.3 ANSYS软件概述 9

2.4 本章小结 10

第3章 活塞有限元模型的建立 11

3.1 活塞三维模型的简化 11

3.1.1 研究对象 11

3.1.2 模型的简化 11

3.2 网格划分 12

3.3 材料属性的定义 14

3.4 接触的建立 14

3.5 本章小结 15

第4章 活塞温度场的仿真计算与结果分析 16

4.1 边界条件的确定 16

4.1.1 活塞顶部燃气换热系数的确定 16

4.1.2 活塞顶面换热系数的确定 18

4.1.3 火力岸的换热系数 19

4.1.4 活塞环槽、活塞裙部和活塞销座的换热系数 19

4.1.5 冷却油腔的换热系数 19

4.2 活塞温度场的计算与分析 21

4.3 本章小结 24

第5章 结论与展望 25

5.1 结论 25

5.2 展望 25

参考文献 27

致谢 29

绪论

1.1研究目的与意义

柴油机作为一种动力装置，它可以将热能转化为机械能。在其工作的过程中，热能转化机械能的效率直接影响了其工作性能，影响柴油机工作性能的技术指标主要有运转的经济性、可靠性等。柴油机的发展方向趋向于高强度化，这使得柴油机燃气的平均有效力、平均温度、最高温度、最高爆发压力都会变得很高。而活塞作为承受柴油机燃气热量的主要部件，其工作环境十分恶劣，在活塞顶部，除了与高温燃气直接接触之外，还会受到一部分来自摩擦产生的热的影响。虽然活塞的温度较高，但是由于其结构和工作环境的特殊性，散热效果却不怎么理想，因此在实际的工作过程中活塞温度一直处于高温状态。相关资料显示，活塞组件所传递的热量占到了柴油机总传递热量的比重较大，约为30%～40%。研究活塞组件温度场分布，改善柴油机活塞组件的散热对改善整机的散热有着重要的作用。在柴油机工作过程中，活塞的温度升高较快，而高温高压的环境会使得其材料的性质发生改变，抗弹性变形和抗塑性变形的能力也会随着活塞温度的升高而降低，而它的内部也会产生一些交变的机械应力和热应力，由于这些应力的存在，严重的影响了其工作的性能^[1]。

为此，要提高柴油机整机的可靠性和耐久性水平，需要对活塞整体部件进行的受热分析。通过对分析结果的研究，进而对活塞的结构和材料进行改善。在进行热分析的时候，首先要考虑活塞顶部的最高温度，通常情况下其随着柴油机缸径的增大而变高。对于热应力来说，其主要与温差有关，温差越大热应力也越大，而在活塞中缸径大的活塞，内外壁的温度梯度较大，所以其热应力也较大。当活塞的温度达到甚至超过其材料的极限值时，则材料的抗塑性变形和抗弹性变形的能力显著降低，对活塞会产生十分不利的影响^[2]。