基于參數(shù)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-www.br5w05v.cn 來源:仿真在線

作者: 王虎*桂長林來源: 萬方數(shù)據(jù)
關鍵字: 參數(shù) 有限元活塞故障仿真

應用 COSMOS/ M 參數(shù)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(shù)化三維有限元計算分析模型及其數(shù)據(jù)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(tài),但在特殊工況下,如冷卻不良、超負荷運轉等,則會出現(xiàn)局部溫度過高的現(xiàn)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(xiàn)永久變形、斷裂以至局部發(fā)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(shù)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(shù)化有限元計算程序,并運用 Delphi 語言編制了相應的數(shù)據(jù)接口,通過輸入?yún)?shù)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(shù)化三維有限元計算程序

    1. 1 參數(shù)化有限元模型

有限元分析軟件在繪圖、運算命令中引入?yún)?shù),通過參數(shù)實現(xiàn)與外界程序、數(shù)據(jù)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(yè)有限元參數(shù)化分析模型提供了操作平臺,成為復雜零部件優(yōu)化設計分析的有力工具。參數(shù)化有限元程序語言主要由參數(shù)定義賦值語句、數(shù)學運算操作語句、程序流程控制語句、參數(shù)化繪圖語句、物性參數(shù)設置語句、邊界條件設置語句、分析設置及執(zhí)行語句組成。運用參數(shù)化有限元模型不僅能對具體尺寸的復雜零部件進行數(shù)值分析,而且可以通過參數(shù)接口對某一結構類型的零部件模型進行變參數(shù)的數(shù)值計算。

由于參數(shù)的引入,在有限元模型的建立過程中,不但要考慮各參數(shù)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(wǎng)格劃分及邊界條件附加的要求,根據(jù)分析實體的不同類型和尺寸,采用不同的邊界參數(shù)和有效的網(wǎng)格處理方法。這不但增加了參數(shù)化有限元模型中幾何建模的難度,也加大了參數(shù)設計、程序編制的復雜性。

1. 2 參數(shù)及其輸入接口

根據(jù)活塞幾何結構及邊界條件的特點,將活塞熱負荷分析輸入?yún)?shù)歸結為幾何參數(shù)、物性參數(shù)、邊界參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)及分析參數(shù) 5 大類。根據(jù) 490 型柴油機活塞的結構及工作運行狀況,本次參數(shù)化有限元計算程序采用 1/4 幾何模型進行計算,輸入?yún)?shù)如表 1。
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根據(jù)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(qū)域,邊界條件分別由 45 個邊界參數(shù)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(shù)設置時給出具體活塞尺寸為默認值,非參數(shù)值為具體尺寸。參數(shù)的輸入界面均有示意圖,如圖 1 所示。參數(shù)接口處理程序主要負責檢查輸入?yún)?shù)值的合理性、一致性及有效性,避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突和異常,最后將檢驗后的參數(shù)值輸入有限元計算程序進行計算。
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1. 3 參數(shù)化有限元計算程序及輸出接口

參數(shù)化有限元計算程序根據(jù)輸入的參數(shù)值,依次進行物性參數(shù)設置、三維幾何建模、網(wǎng)格設置及自動劃分、邊界條件附加、分析類型及輸出設置、執(zhí)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(jù)計算目標、輸入的參數(shù)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(shù)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(xiàn)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(huán)岸、活塞環(huán)區(qū)、裙部、底腔 5 個區(qū)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(qū)域的平均邊界值,然后依據(jù)內燃機熱負荷及傳熱理論、活塞結構及運行特點進行各區(qū)域的具體布置。在特殊工況下,不同區(qū)域的邊界值發(fā)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(shù)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?？傊?高速高負荷工況是對流及輻射換熱的嚴重工況,依據(jù)缸內傳熱 Woschni 公式,對不同速度和負荷下總體換熱系數(shù)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(fā)動機缸壁的冷卻水一側,對流換熱系數(shù) 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(xiàn)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(jù)活塞側面綜合放熱系數(shù)多層熱阻疊加原理,計算并分析了冷卻水對流換熱系數(shù)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(shù)為 412W/ m2℃ ,將處理后的邊界值輸入?yún)?shù)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(xiàn)在頂部燃燒室喉口邊緣,頂環(huán)槽最高溫度為 224. 9 ℃ ?；钊麩嶙冃蔚淖畲髲较蛭灰茷?0. 252 7 mm,發(fā)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(fā)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(shù)均有相應的提高。依據(jù)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(huán)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(shù)發(fā)生變化。綜合考慮兩者的影響,將冷卻水對流換熱系數(shù)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?yún)?shù)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(shù)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(shù)減少到 1840 W/ m2 ℃,活塞最高溫度已達到 296. 92 ℃,頂環(huán)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(xiàn)。
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4 結論

(1)運用 COSMOS/ M 參數(shù)化有限元程序語言及 Delphi 語言,編制了活塞參數(shù)化有限元計算程序及其相應的數(shù)據(jù)接口,為活塞變參數(shù)值的熱負荷定量分析及優(yōu)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)對于水冷柴油機活塞保持正常運行狀態(tài)的重要性。