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活塞冷却油腔结构变化对活塞温度场的影响

时代汽车 2022年第5期 170-171页

作者：孙俊花张创科于巍瑞立美联制动技术(廊坊)有限公司河北省廊坊市065000

为提升活塞油腔对活塞的冷却效果,采用ANSYS有限元分析法对活塞温度场进行数值模拟,对活塞顶部燃烧室喉口及活塞第一环槽处两个重点区域进行分析,并对活塞产生热应力具有明显影响的温度梯度进行同步分析,结果表明,通过改变活塞内冷油腔... 详细信息

为提升活塞油腔对活塞的冷却效果,采用ANSYS有限元分析法对活塞温度场进行数值模拟,对活塞顶部燃烧室喉口及活塞第一环槽处两个重点区域进行分析,并对活塞产生热应力具有明显影响的温度梯度进行同步分析,结果表明,通过改变活塞内冷油腔横截面形状,使内冷油腔更加凸向活塞高温区域,内冷油腔的冷却效果得到了显著提升。可见,油腔越靠近温度高,梯度大区域,其冷却效果越明显。

关键词：活塞内冷油腔活塞温度场

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基于流固耦合的某船用低速柴油机活塞温度场分析

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船舶工程 2015年第9期37卷 27-30页

作者：凌有临潘志刚徐欣宏唐文献张建镇江四洋柴油机制造有限公司江苏镇江212003 江苏科技大学机械工程学院江苏镇江212003

针对某研发新型船用柴油机,建立其活塞固体域和流体域模型,运用有限元软件ABAQUS和流体动力学软件START-CCM+进行联合仿真,得到其活塞耦合面对流换热系数和温度场分布。活塞最高温度538K左右,活塞第一环区及环区附近区域大部分温度439K... 详细信息

针对某研发新型船用柴油机,建立其活塞固体域和流体域模型,运用有限元软件ABAQUS和流体动力学软件START-CCM+进行联合仿真,得到其活塞耦合面对流换热系数和温度场分布。活塞最高温度538K左右,活塞第一环区及环区附近区域大部分温度439K在左右,活塞环区及活塞内部冷却腔大部分温度处于340K^439K范围以内,最后与现有对标机型进行对比,得到仿真计算所得活塞温度分布与对标机型温度场实测值基本一致,活塞温度场仿真计算结果基本符合实际。

关键词：船用柴油机低速柴油机流固耦合活塞温度场

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有限元法分析活塞温度场

内燃机与动力装置 1995年第4期18卷 10-15页

作者：郑永刚山东活塞厂

0 前言当今世界上发动机愈来愈向高速、强载、低油耗方向发展,而且社会对降低噪声和废气净化的要求也日趋严格。活塞系发动机的心脏部件,为了适应发动机的这种动向,对活塞的要求也多样化;因而缩短活塞的开发时间和加强活塞技术评价的... 详细信息

0 前言当今世界上发动机愈来愈向高速、强载、低油耗方向发展,而且社会对降低噪声和废气净化的要求也日趋严格。活塞系发动机的心脏部件,为了适应发动机的这种动向,对活塞的要求也多样化;因而缩短活塞的开发时间和加强活塞技术评价的重要性也日显突出。

关键词：有限元法分析边界条件活塞销孔工作温度活塞温度场发动机热传导系数三维有限元分析有限元计算活塞环岸

基于ANSYS对YC6105ZLQ型柴油机活塞的温度场有限元分析

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基于ANSYS对YC6105ZLQ型柴油机活塞的温度场有限元分析

作者：高佳江西农业大学

学位级别：硕士

活塞作为发动机的主要零部件，它的工作状态好坏与发动机的安全可靠性和耐久性有着必然的关联，而且还与发动机的排放性能有着必然关联，活塞的性能直接关系着整体发动机的性能。在燃烧室内，燃气燃烧时产生高温，致使活塞的顶部和活塞... 详细信息

活塞作为发动机的主要零部件，它的工作状态好坏与发动机的安全可靠性和耐久性有着必然的关联，而且还与发动机的排放性能有着必然关联，活塞的性能直接关系着整体发动机的性能。在燃烧室内，燃气燃烧时产生高温，致使活塞的顶部和活塞的温度都非常高，而且分布不均，使得活塞出现热应力和热变形。随着发动机很大程度的加大了强化程度和热负荷水平，再加之某些特殊的工况，使得热负荷的问题显得越来越明显。所以对活塞进行建模分析，得到它的温度场能有效的解决这个问题。如果有了活塞的温度场,便可对活塞进行有目的的改变,达到降低热负荷的目的。作为一种数值计算方法，有限元分析方法可以求解许多大型和复杂问题，它的未知数可以有很多个，工程界中许多领域中都有应用，在许多科学技术人员和工程技术人员从事科研和设计中是不可或缺的。所以，利用有限元方法，对活塞温度场进行分析，对改变活塞结构，提高活塞安全可靠性是非常有意义的。本文利用CAD软件UG对活塞进行实体建模，建立了YC6105ZLQ型柴油机活塞的三维实体图，并对活塞的活塞顶圆角大小做了一个改变，在不同工况下将其模型分别导入有限元分析软件ANSYS中进行热分析，得出各自的活塞温度场分布图。再由活塞的温度场分布图对关于活塞顶圆角的改变是否影响活塞的温度场分布做一个对比分析，以及由活塞的温度场分布图对活塞的设计提供一个参考依据。

关键词：活塞有限元法活塞温度场热分析 UG ANSYS

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考虑活塞二阶运动的柴油机内冷油腔换热分析

考虑活塞二阶运动的柴油机内冷油腔换热分析

作者：樊俊辉太原理工大学

学位级别：硕士

内燃机有着高热效率、低碳排放生命周期的优点,成为应用最为广泛的动力机械,具有难以替代的主导力。随着内燃机热效率不断突破,燃气燃烧产生的热量冲击对活塞等部件提出了更高的要求,活塞的强制振荡冷却已经成为活塞冷却优化设计研究的... 详细信息

内燃机有着高热效率、低碳排放生命周期的优点,成为应用最为广泛的动力机械,具有难以替代的主导力。随着内燃机热效率不断突破,燃气燃烧产生的热量冲击对活塞等部件提出了更高的要求,活塞的强制振荡冷却已经成为活塞冷却优化设计研究的重要一环。在对内冷油腔振荡换热的研究中,多数会将活塞运动简化为简单往复直线运动,同时认为油腔的边界温度为恒定值,忽略了发动机转速工况对油腔边界温度的影响,具有一定的局限性。为此,本文基于活塞的瞬态动力学分析,提取了燃气冲击作用下的活塞运动特性曲线,同时将不同转速下的发动机外特性考虑到活塞温度场中,建立了考虑活塞二阶运动的多转速工况下的内冷油腔振荡换热对比分析模型。本文首先搭建了内冷油腔振荡运动可视化试验台,对流体计算模型进行了流动相似性验证,通过试验与仿真结果的对比,对仿真模型进行修正。同时,基于某型四冲程柴油机活塞,对发动机外特性工况下的活塞温度场进行了分析,在活塞温度场与油腔振荡换热的迭代计算中,获得各工况下内冷油腔边界温度条件,以及在此环境下的内冷油腔冷却换热能力。随后,对活塞进行了瞬态动力学分析,将缸盖、活塞组件、机体等相关部件进行装配,并添加适当的阻尼、接触刚度,匹配合适的接触算法,通过施加缸内压力数据以及转速驱动,实现活塞的缸内运动模拟。配合软件的用户自定义函数对内冷油腔的运动进行控制,完成简单往复运动与活塞二阶运动影响下的内冷油腔振荡换热的对比仿真。比较两种运动模式下的油液流动、壁面换热以及周向换热的特征,最终得到各工况转速下的内冷油腔换热能力的变化特性,提出在内冷油腔振荡换热研究中引入活塞二阶运动的必要性,为相关研究提供了一种新的思路。

关键词：活塞冷却内冷油腔振荡换热可视化试验活塞温度场活塞二阶运动瞬态动力学

顶面阳极氧化对活塞二阶运动过程热力特性影响研究

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汽车技术 2019年第11期 52-56页

作者：孙承潘俊杰杨靖湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室

为研究某汽油机活塞顶部阳极氧化对活塞二阶运动过程热力特性的影响,采用硬度塞法测得阳极氧化前、后活塞测点温度,结合数值传热法标定活塞温度场,在此基础上研究阳极氧化前、后活塞热变形导致的活塞裙部型线变化情况,并运用多体动力学... 详细信息

为研究某汽油机活塞顶部阳极氧化对活塞二阶运动过程热力特性的影响,采用硬度塞法测得阳极氧化前、后活塞测点温度,结合数值传热法标定活塞温度场,在此基础上研究阳极氧化前、后活塞热变形导致的活塞裙部型线变化情况,并运用多体动力学方法分析阳极氧化后活塞二阶运动的变化情况。研究结果表明,活塞顶面阳极氧化后,从其顶面导入的平均热流密度减小,活塞温度降低,导致热应力、热变形减小,活塞裙部热态型线发生较大变化,使得活塞绕活塞销摆动幅度、横向位移幅度分别增加34.4%、42.4%,活塞裙部与缸套间作用力增加24.1%。

关键词：阳极氧化活塞温度场二阶运动硬度塞

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船用柴油机活塞冷却油腔振荡传热特性分析

船用柴油机活塞冷却油腔振荡传热特性分析

作者：陈浩翰北京理工大学

学位级别：硕士

船用柴油机相较于车用柴油机,有转速低、零部件转动惯量大、运动件摩擦磨损大、油膜润滑困难以及燃烧室零部件冷却困难等特点。其中低速大功率柴油机活塞的热负荷过高,散热不当易出现活塞烧蚀、热裂、机油结焦甚至拉缸等问题。低速柴油... 详细信息

船用柴油机相较于车用柴油机,有转速低、零部件转动惯量大、运动件摩擦磨损大、油膜润滑困难以及燃烧室零部件冷却困难等特点。其中低速大功率柴油机活塞的热负荷过高,散热不当易出现活塞烧蚀、热裂、机油结焦甚至拉缸等问题。低速柴油机解决活塞冷却问题常采用组合活塞内冷却油腔的设计。准确地评估油腔的振荡冷却过程及影响因素对活塞设计具有重要的意义。本文对低速大功率柴油机活塞振荡传热问题进行了研究,主要内容如下:为进行低速大功率柴油机组合活塞大型冷却油腔在往复振荡过程中的流动传热特性研究,本文首先进行了冷却油腔建模、网格划分及网格无关性验证。分析了冷却机油振荡传热机理,对机油两相流动物理过程进行了相关的简化。通过模型对比,挑选了适应计算精度及计算时间成本的湍流计算模型及CLSVOF两相流模型。针对具有双内冷却油腔的大型冷却油腔流动传热过程进行了数值计算分析,研究了发动机中低转速条件下,转速及冷却机油入口流量对流动传热特性的影响。研究发现低速柴油机的冷却油腔在工作过程中,油腔充油率水平较高一般在0.8左右。内外冷却油腔的机油流动传热特点有一定差别,内冷却油腔的往复振荡换热强度要低于外冷却油腔。在低转速下,大型冷却油腔总的换热主要受充油率影响。冷却机油入口流量一定时,随着发动机转速增加充油率下降,油腔换热量减少。外冷却油腔机油往复振荡强度较强,受发动机转速和油腔充油率两方面的影响,壁面换热量随着转速的增加先减小后增大。本文还针对内外冷却油腔连通管道数量及管道直径、出油口高度及出口直径,利用正交设计试验进行冷却油腔结构参数的显著性分析。发现影响流动传热效率的主要几何因素为连通管道数量及直径。根据仿真计算结果拟合得到适用于低速柴油机外冷却油腔振荡传热的无量纲关联式,此关联式考虑了充油率、入流机油流量对振荡传热的影响。本文还针对实际低速大功率柴油机组合活塞的振荡冷却过程进行了研究,获得了具有分隔式小腔室油腔的流动传热特性。为进行活塞温度场计算,进行了活塞顶、活塞环槽区域边界条件计算,综合油腔壁面换热边界条件建立了活塞温度场有限元分析模型获得了组合活塞较为准确的温度分布。根据计算得到的活塞温度场及油腔结构参数正交设计试验的分析,对冷却油腔结构进行了优化,增加了连通管道的数量。进一步流动传热研究,发现油腔的振荡冷却效率增加。通过活塞温度场有限元分析,发现油腔结构优化后活塞热负荷得到了改善,活塞喉口最高温度降低了18.26度。

关键词：振荡冷却组合活塞结构优化活塞温度场

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活塞热流的复合隔热控制研究

活塞热流的复合隔热控制研究

作者：徐慧慧北京理工大学

学位级别：硕士

随着发动机强化水平不断地提高,活塞需要承受极大的热负荷,由此导致活塞会出现失效问题,严重影响了发动机的工作可靠性。因此需要减少活塞的散热量并对活塞中热流的传递进行控制规划,使各部位温度在合理的范围内,降低活塞热负荷,延长发... 详细信息

随着发动机强化水平不断地提高,活塞需要承受极大的热负荷,由此导致活塞会出现失效问题,严重影响了发动机的工作可靠性。因此需要减少活塞的散热量并对活塞中热流的传递进行控制规划,使各部位温度在合理的范围内,降低活塞热负荷,延长发动机使用寿命。本文以高强化柴油机活塞为模型,通过改变活塞顶部材料、增加空气腔和隔热片等隔热手段,对活塞的热流量进行控制研究。主要内容如下:为进行活塞温度、热流状态的研究,首先利用内燃机性能仿真软件Ricardo-Wave,研究壁面温度升高对换热系数、充量系数以及着火延迟期的影响规律,进而使用内燃机性能仿真模型计算活塞顶面平均温度、换热系数等随曲轴转角的变化曲线,结合经验公式,计算得到活塞的换热边界条件。计算不同隔热组合方案的温度场并将结果进行对比分析,最终确定使用钢顶、隔热片以及空气腔相结合的复合隔热方式。与全铝活塞相比,复合隔热活塞的温度场变化明显,顶部温度梯度变大,最高温度增加330℃以上,活塞主体温度在290℃以下,铝合金材料得到较好保护。隔热片放置在第一环槽上方,可以阻隔热量直接传递,降低第一环槽工作温度。空气腔设置在活塞顶背侧,控制热流方向并降低活塞质量。研究活塞中关键隔热影响参数对温度场的影响规律,得到结论有:(1)顶部材料对活塞整体温度场具有较大的影响,钛合金作为顶部材料隔热效果尤为明显。(2)活塞顶部增厚会导致活塞最高温度降低,表明空气隔热效果良好,顶部热流方向主要为径向传递。(3)活塞最高温度随着隔热片中陶瓷成分的增加而升高。从多个方面对活塞各关键部位的温度阀值进行研究。主要包括:活塞散热量、第一环槽润滑油结焦温度、活塞质量、裙部摩擦力、顶部材料的高温强度、不同材料间的接触面配合、裙部配缸间隙。利用多目标优化的方法,构建活塞热流整体满意度评价模型。利用此模型对研究的各隔热组合方案进行满意度评价。根据正交法分析的结果优化活塞结构,得到三种较为合理的热流分配活塞。在此基础上,考虑活塞实际工况下的使用和加工工艺要求,优化活塞顶部燃烧室和内部接触面,确定最终的复合隔热结构活塞,满意度为0.69,较初始结构提高0.12。

关键词：热流控制隔热参数活塞温度场满意度

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基于流固耦合的发动机活塞热动力学分析

基于流固耦合的发动机活塞热动力学分析

作者：李煜哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

活塞是水下航行器发动机的重要组成部件,在运行过程中,活塞顶面经受着高温高压燃气的反复冲刷,高温的热载荷促使活塞产生热膨胀变形,压力载荷使活塞产生机械变形,必然会影响发动机的安全性和稳定性,因而对活塞整体的强度计算分析显得尤... 详细信息

活塞是水下航行器发动机的重要组成部件,在运行过程中,活塞顶面经受着高温高压燃气的反复冲刷,高温的热载荷促使活塞产生热膨胀变形,压力载荷使活塞产生机械变形,必然会影响发动机的安全性和稳定性,因而对活塞整体的强度计算分析显得尤为重要,避免活塞出现裂纹及断裂情况,保证发动机的正常运行。目前对发动机活塞强度的研究大部分是基于循环平均载荷计算得到变形及应力,而忽略了活塞顶面压力场和温度场的不均匀性,必然对计算结果造成不可忽略的影响。本文以某型水下航行体热动力活塞式凸轮发动机为研究对象,利用FLUENT对缸内的流场进行计算,通过Workbench基于流固耦合原理计算分析活塞的整体温度场以及活塞的变形及应力。本文以某型水下航行器活塞式凸轮发动机结构参数建立进排气以及缸内做功的数学模型,选择合适的壁面传热模型,通过MATLAB数值仿真得到发动机的性能指标及缸内压力和温度随转角的变化关系;根据阀体、阀座以及气缸的运动特征建立计算所需的流体域模型,利用SIMPLEC速度压力耦合算法,选择k-ε湍流模型,采用二阶迎风格式,通过有限体积法计算缸内流体的流动状态及变化规律,分析得到活塞顶面的对流换热系数及压力场;对活塞温度场和强度进行计算时,分别采用循环平均法和流固耦合法,分析活塞的温度场和热流密度的变化规律,进而分析研究了在温度载荷、机械载荷以及两者耦合作用下的总变形量分布、轴向、径向变形量分布以及等效应力分布。通过计算分析发现:适用于水下航行体热动力的活塞式发动机的缸内壁面传热模型为Woschini公式,并且零维仿真及流场的数值模拟均能够准确计算出发动机的性能参数;缸内的流场复杂,在进气阶段,缸内压力和温度、活塞顶面的压力及换热系数,均较大,并且存在较大的梯度,随着曲轴转角的变化逐渐减小并趋于均匀;基于循环平均法时,活塞顶面温度最大,沿轴向逐渐减小,由热载荷引起的变形在顶面最大,机械载荷下的最大变形出现在顶面靠近导向槽一侧的边缘处,最大值等效应力在滚轮轴孔上端面;考虑流固耦合的作用时,不均匀的对流换热系数产生了不均匀的温度场,活塞的热变形沿径向指向气缸分布圆中心处增大,同时流固耦合作用对活塞的耦合变形及应力的分布无明显影响。

关键词：活塞式发动机数值模拟活塞温度场流固耦合