基于參數化有限元模型的活塞熱負荷仿真分析

2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 王虎*桂長林來源: 萬方數據
關鍵字: 參數有限元活塞故障仿真

應用 COSMOS/ M 參數化有限元程序語言及 Delphi 面向對象高級語言,建立了 490 型柴油機活塞的參數化三維有限元計算分析模型及其數據輸入輸出處理接口,對活塞溫度場及其影響因素進行了定量分析,并在此基礎上,對490 型柴油機虛擬故障工況下的熱負荷進行了模擬計算,為故障仿真提供一種方便高效的手段。

活塞是內燃機中的重要零部件,工作過程中承受周期性的強烈熱負荷作用,工作條件極其惡劣,其性能的好壞直接影響整機的性能。在正常工況下,活塞一般能夠保持較為良好的工作狀態,但在特殊工況下,如冷卻不良、超負荷運轉等,則會出現局部溫度過高的現象,實踐證明,活塞長時間在超負荷高溫下運行,首先會引起材料強度降低,而材料強度的降低則意味著機件在長期工作中會出現永久變形、斷裂以至局部發生燒傷,進而導致整機的故障,大大影響了整機的可靠性、耐久性。近幾年來,隨著內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。

    目前復雜零部件熱負荷分析中,大多采用有限元分析方法。由于活塞結構及邊界條件復雜,所以在有限元計算中,任何參數的改變均會帶來不必要的重復工作。以 COSMOS/ M 有限元程序語言為基礎,編制了活塞參數化有限元計算程序,并運用 Delphi 語言編制了相應的數據接口,通過輸入參數值的變化來模擬冷卻不良及超負荷運轉等特殊工況,進而對活塞的溫度場和熱變形進行計算分析,大大提高了多工況下活塞熱負荷分析的效率,為活塞的多工況熱負荷故障仿真提供了一種高效的分析方法。

    1 基于活塞熱負荷的參數化三維有限元計算程序

    1. 1 參數化有限元模型

有限元分析軟件在繪圖、運算命令中引入參數,通過參數實現與外界程序、數據庫的有效連接,擴展了有限元計算程序的應用范圍,使其具有更強的可擴充性,為建立專業有限元參數化分析模型提供了操作平臺,成為復雜零部件優化設計分析的有力工具。參數化有限元程序語言主要由參數定義賦值語句、數學運算操作語句、程序流程控制語句、參數化繪圖語句、物性參數設置語句、邊界條件設置語句、分析設置及執行語句組成。運用參數化有限元模型不僅能對具體尺寸的復雜零部件進行數值分析,而且可以通過參數接口對某一結構類型的零部件模型進行變參數的數值計算。

由于參數的引入,在有限元模型的建立過程中,不但要考慮各參數化圖形元素之間的形位關系,避免尺寸、形位之間的相互干擾,而且要使建立的幾何模型符合網格劃分及邊界條件附加的要求,根據分析實體的不同類型和尺寸,采用不同的邊界參數和有效的網格處理方法。這不但增加了參數化有限元模型中幾何建模的難度,也加大了參數設計、程序編制的復雜性。

1. 2 參數及其輸入接口

根據活塞幾何結構及邊界條件的特點,將活塞熱負荷分析輸入參數歸結為幾何參數、物性參數、邊界參數、網格參數及分析參數 5 大類。根據 490 型柴油機活塞的結構及工作運行狀況,本次參數化有限元計算程序采用 1/4 幾何模型進行計算,輸入參數如表 1。
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根據活塞熱負荷分析中邊界條件附加的要求,將活塞的邊界分成 45 個區域,邊界條件分別由 45 個邊界參數值決定。邊界條件值可以通過第一類或第三類邊界條件的形式輸入。幾何參數設置時給出具體活塞尺寸為默認值,非參數值為具體尺寸。參數的輸入界面均有示意圖,如圖 1 所示。參數接口處理程序主要負責檢查輸入參數值的合理性、一致性及有效性,避免出現數據沖突和異常,最后將檢驗后的參數值輸入有限元計算程序進行計算。
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1. 3 參數化有限元計算程序及輸出接口

參數化有限元計算程序根據輸入的參數值,依次進行物性參數設置、三維幾何建模、網格設置及自動劃分、邊界條件附加、分析類型及輸出設置、執行計算,計算流程如圖 2 所示。這一系列任務由各自模塊獨立完成,最終形成輸出結果文件。輸出處理程序依據計算目標、輸入的參數值,通過對輸出結果文件的查詢,完成最終結果的輸出。在特殊工況下的活塞熱負荷分析是一個變參數的計算分析問題,通過本計算程序邊界條件的輸入接口,輸入相應工況下的邊界條件,便能實現對活塞熱負荷的計算分析,避免了對活塞復雜模型的操作和處理過程,既減少了人為干預的錯誤,又大大提高了分析效率。
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2 邊界條件的模擬應用

活塞熱負荷分析的邊界條件,主要分為活塞頂部、環岸、活塞環區、裙部、底腔 5 個區域。以 490 型柴油機標定工況下的示功圖為基礎,計算出各邊界區域的平均邊界值,然后依據內燃機熱負荷及傳熱理論、活塞結構及運行特點進行各區域的具體布置。在特殊工況下,不同區域的邊界值發生明顯變化,對活塞的溫度場、熱變形產生顯著影響。

2. 1 運行工況對活塞頂面與燃氣換熱系數的影響

運行工況主要指內燃機運行過程中的負荷及速度的影響。一般情況下,平均有效壓力 Pe 加大,將使缸內燃氣密度加大,溫度升高,造成對流及輻射換熱增強;轉速 n 值增大,則使缸內氣流擾動加大,對流換熱增強。總之,高速高負荷工況是對流及輻射換熱的嚴重工況,依據缸內傳熱 Woschni 公式,對不同速度和負荷下總體換熱系數進行定量計算。

2. 2 冷卻水與壁面間對流換熱的影響因素

在水冷發動機缸壁的冷卻水一側,對流換熱系數 a 值的大小主要取決于壁面附近的流體邊界層性質。而邊界層的厚度主要取決于水流速度和缸壁的表面特性,隨著內燃機運行時間的增加及工況的變化,可能出現缸壁表面粗糙度增加,冷卻水局部流速減小甚至為零的情況。依據活塞側面綜合放熱系數多層熱阻疊加原理,計算并分析了冷卻水對流換熱系數及水溫變化對整體活塞溫度分布及熱變形的影響。

3 結果與分析

    3. 1 標定工況下的活塞溫度場和熱變形

490 型柴油機在標定工況(3 000 r/ min,滿負荷)下正常運轉時,燃燒室燃氣平均溫度為 803 ℃,平均換熱系數為 412W/ m2℃ ,將處理后的邊界值輸入參數化有限元程序,結果如圖 3 所示。
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由圖 3 可以看出,標定工況下,活塞的最高溫度為 255. 63℃ ,出現在頂部燃燒室喉口邊緣,頂環槽最高溫度為 224. 9 ℃ 。活塞熱變形的最大徑向位移為 0. 252 7 mm,發生在活塞頭部的銷軸垂直面上,裙部最大徑向位移為 0. 193 6 mm,發生在銷軸上部。

3. 2 高速高負荷下的活塞溫度場和熱變形

在高速高負荷下運轉的內燃機,燃氣溫度、活塞頂面的換熱系數均有相應的提高。依據不同負荷下的運轉工況,分別按表 2 所示熱邊界條件進行計算,結果如圖 4,5,6。從圖中可看出,隨著 490 型柴油機運行速度和負荷的增加,整體活塞的溫度和熱變形增加明顯。圖 6 為熱負荷最嚴重的第 4 種工況,此時活塞最高溫度為 288. 96 ℃,頂環槽最高溫度為 252. 57 ℃,活塞最大徑向位移為 0. 286 23 mm,裙部最大徑向位移增加到 0. 214 4 mm。
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3. 3 冷卻不良下的活塞溫度場和熱變形

由于冷卻水內腔表面特性的改變和局部冷卻水流速的變化,勢必對冷卻水的對流換熱產生影響,進而使缸壁的綜合換熱系數發生變化。綜合考慮兩者的影響,將冷卻水對流換熱系數由正常工況的 2 845 W/ m2 ℃,依次減小為 2 660,2 401,2 198,2 000,1 840(W/ m2 ℃),分別輸入參數化有限元程序進行計算,結果如圖 7,8。

從圖 7,8 可以看出,當冷卻水對流換熱系數減小時,活塞整體溫度迅速增加,而后溫升減慢,這與多層熱阻疊加原理相一致。當冷卻水對流換熱系數減少到 1840 W/ m2 ℃,活塞最高溫度已達到 296. 92 ℃,頂環槽最高溫度也達到 263. 17 ℃。如在此工況下運行時間過長,必將造成整機可靠性下降,甚至導致整機故障出現。
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4 結論

(1)運用 COSMOS/ M 參數化有限元程序語言及 Delphi 語言,編制了活塞參數化有限元計算程序及其相應的數據接口,為活塞變參數值的熱負荷定量分析及優化設計提供了有力工具,并對 490 型柴油機特殊工況下的熱負荷進行了仿真計算分析。

(2)通過計算可以看出,在高速高負荷及冷卻不良的特殊工況下,490 型柴油機活塞的整體溫度上升明顯,活塞最高溫度及活塞頂環槽的最高溫度均已超過活塞正常運行的峰值,大大降低了內燃機整機的可靠性,這恰恰也是部分 490 型柴油機在實際應用中,長時間高速超負荷運行進而導致活塞系統產生潤滑不良、磨損加劇,甚至抱缸、卡死等故障的主要原因。上述事實一方面說明 490 型柴油機活塞不易在高速高負荷工況下運行時間過長,同時也表明了冷卻水系統對于水冷柴油機活塞保持正常運行狀態的重要性。