发动机活塞温度场试验与有限元分析.pdf

CAD/CAE/CAPP/CAM
现代制造丁程( Modem Manufacturing Engineering)
2012年第1期
发动机活塞温度场试验与有限元分析
吴喜骊,蒋芳,徐斌
(1包头职业技术学院,包头014030;2北京航空航天大学,北京10083)
摘要:依据发动机活塞的热负荷,介绍热电偶法测敏活塞温度的试验方法和过程,建立活塞有限元模型,分析热边界条
件的施加方法。计算结果与试蛻结果很好地拟合,为发动机活的耦合分析和结构优化提供了可靠依据。
关词:活塞;温度;测量;有限元分析
中图分类号:U464.03文献标志码:B文章编号:1671-3133(2012)01-07604
Temperature measurement and finite element analysis of engine piston
Wu Xili ,Jiang Fang, Xu Bin
(1 Baotou Vocational &Technical College, Baotao 014030, Neimenggu, China
2 Beijing Aeronautical and Aerdspace University, Beijing 100083, China
Abstract: Based on the thermal load of engine piston, the temperature measurement used thermocouple on piston is introduced
the finite element model and thermal boundary condition of piston is brought forward. The result of calculation is identical with ex-
perimentation. It is a good reference for coupling stress analysis and structural optimization of engine piston
Key words: piston; temperature; measurement; FEA
0引言
CA488汽油机的最高转速为600o/min,最高爆
发压力为5.4MPa,活塞平均速度为15m/s,工作中活
活塞温度是限制发动机强化及性能提高的关键塞顶面承受着2000~2500℃的燃气加热。
因素,发动机的工作可靠性和使用耐久性,在很大程
度上取决于活塞的工作情况。因此,不论从改进发动
发动机活塞温度的测量
机的工作性能,还是优化活塞结构设计,进行活塞温
现以CA488铝合金活塞为例,叙述热电偶法测量
度的测量与有限元计算都是十分重要的,通过分析有活塞温度的过程,活塞测温装置如图1所示。
助于了解活塞的热负荷状况,确定影响活塞温度的主
第·环槽
热电偶热点
顶岸
要因素,弄清发动机的强化潜力。
油环环
1发动机活塞的热负荷
发动机活塞的热负荷有三个危险区:活塞顶部、
第一环槽和活塞销座。活塞工作时,顶面承受髙温燃
气的加热,活塞不仅温度高,而且温度分布不均匀,各
部位温度梯度大,所产生的应力也较高。活塞顶部在
300℃时材料机械强度下降50%左右,在370℃左右达
到材料允许极限,温度达到400℃就会发生热疲劳开
裂。第一环糟温度过高不仅会加速环槽磨损,影响气
静触头动触头
直片状直片状引出线
环的密封性,还会使环带处润滑油结胶、积碳,导致活
固定板固定板
动触片静触片
塞环卡死在环槽中,严重时引起活塞环折断和拉缸事
图1活测温装置
故。如果活塞销座的温度过高,会因材料强度极限的2.1测温元件的焊接与安装
下降,导致销孔在承载压力作用下发生变形。
试验中,选用0.3EA热电偶材料,热电偶丝的外
万方数据
吴喜飄,等;发动机活塞温度场试验与有限元分析
2012年第1期
表涂聚酰亚胺高温漆。聚酰亚胺是一种高温绝缘材用于稳态热分析问题,进行热-结构耦合分析时,可转
料,在-200-400℃范围内具有较高的机械和绝缘性化为与之对应的Soid2结构分析单元。活塞有限元
能,同时有耐水、耐油的性能。将热电偶的热接点焊网格模型如图2所示,共包含13054个单元,22173个
在与活塞相同材料的套帽上,这样可以保证测温点与节点。
表面距离一致,并且容易焊接。
在活塞各测点上钻阶梯孔,将测温套帽以0.01
0.015mm的过盈量压入各测点的阶梯孔中。套帽的
顶面与活塞表面平齐,热电偶丝从活塞内腔加工的小
孔中引出,再把热电偶沿着活塞内壁排列成型,并用
61#高温漆粘牢,最后将活塞上的热电偶丝按顺序固
定在动触片上,引出线固定在静触片上。
2.2信号的传输机构
信号的传输选用滑片式间歇传输机构,将热电偶
线路中连在活塞上的运动部分与连在机件上的固定
部分分开。当活塞运动到下止点时利用动、静触片将
线路闭合。由于活塞顶部表面温度波动很小,在距离
活塞顶部表面0.5-2m深的测点处温度波动更微
图2活塞有限元网格模型
小,在通常的测量中可视为基本不变。这样,在下止
点附近间歇接触时所取得的测量值完全可以表示实
CA488发动机活塞的材料为共晶硅铝合金,国内
时的活塞温度。
牌号为ZL109,常温下弹性模量E=71000MPa,泊松
动、静触片的固定板由酚醛夹布胶木板制成,其比ル=0.31,密度p=2700kg/m3,200℃时材料抗拉强
上安装与热电偶材料相同的触片。动触片固定板用度。=196MPa,材料线膨胀系数B=19.80x
两只M5x6的螺钉和两个铆钉紧固在活塞裙部的下10-/℃,换热系数A=152W/(m2?K)。
沿,静触片固定板用螺钉固定在气缸筒的下部,导线3.2活塞热传导边界条件
由缸体的侧孔中引出。
发动机在稳定工况下运行时,由于热惯性的作
2.3测量线路与结果
用,在活塞顶面很薄的范围内温度是波动的,而在活
热电偶的测量线略包括电容式集电器、滤波器和塞的绝大部分区域,活塞温度基本上是稳定的,可以
测量仪表。电容式集电器实际就是一个积分器,将断认为是一个稳定的温度场。
续接触的方波信号变为直流信号,以便使读数稳定;
计算活塞温度场时,采用第三类边界条件(对流
滤波器用于消除信号波动,从而在测量仪表上读出稳换热边界条件)。利用经验公式,分别确定活塞各边
定的测量值;测量仪表采用数字式温度表。
界与燃气、冷却水、润滑油以及曲轴箱内油雾之间的
试验结果显示,在最大功率工况下,CA488发动当量换热系数α和相应的介质温度7。为了减少经
机活塞最髙温度为301℃,出现在活塞顶面中心。活验公式的偏差,采用温度拟合法修正换热系数,即先
塞第一环槽温度为238℃;油环环槽温度为165℃;活按经验公式得到的换热系数计算温度场,再将计算结
塞销座上方温度为156℃。因为非承压面传热不良,果与活塞表层各特征点温度的实测值相比较,修正给
所以活塞承压面的温度比非承压面温度低。
定的边界条件,直到那些点的计算温度与实测值基本
3发动机活塞温度场的有限元计算
符合为止。
根据活塞外部流体介质的不同,将边界分为如下<