基于ANSYS活塞有限元温度场的分析与研究

第一章绪论

1.1内燃机活塞组有限元研究的背景和意义

内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，它主要利用燃料燃烧释放出的热能产生有用的机械能做功。经历了百余年的发展，内燃机领域己经取得了长足的进步。在现今的社会中，几乎所有的交通工具均以内燃机做其核心的动力源。回溯整个20世纪，内燃机技术的成熟推动了整个人类社会向前进步，其广泛的应用也造就了这个世纪的繁荣。

随着各种新技术的研究成果应用到发动机设计过程中，以及愈来愈严格的排放法规的现在，发动机正想着高转速，高功率和低油耗的方向发展。功率的提高必然带来一些负面的影响。如加重了活塞的热负荷，使得活塞的温度超过活塞材料所能承受的味道，大大降低了活塞磁疗的强度，严重时可能活塞会出现龟裂甚至烧损。缸内爆发压力增加是活塞和缸体，缸盖承受的接卸符合增大。可能导致活塞和缸体缸盖因强度不足而产生破坏。此外压力升高率过大时，会产生敲缸现象，增加发动机的燃烧噪声，当提高发动机的转速以增大发动机的功率时，各个运动部件的惯性力也随着增加，使得活塞销和活塞销座的受力问题更为突出。缸体对活塞的支撑力也增大。于是发动机的噪声问题成为整车噪声中的主要问题【21】。

尽管转速的自己可以减少发动机的传热损失，但却同时造成发动机的NOx排放增加，在排放法规要求日益严格的今天，这一问题的得与失显得要慎重考虑。不仅如此，还会造成摩擦损失的增加。

在满足发动机高功率设计的同时，必须要考虑发动机的温度和强度方面的要求。发动机是一切动力装置的新章，而作为发动机关键部件的活塞又是重中之重，活塞热负荷和热强度问题的解决常常是提高征集技术水平的关键，直接影响内燃机工作可靠性和耐久性。为了减少发动机的整机重量和提高功率，中小型柴油机几乎都采用铝合金作为材料，为了减少活塞的传热和热负荷，人们正尝试使用陶瓷作为活塞的材料。

有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。它不但可以解决工程中的结构分析问题，也成功地解决了传热学，流体力学，电磁学和声学等领域的问题。有限元计算结果可以作为各类工业产品设计和想能分析的可靠依据。使用有限元方法分析活塞模型，可以很直接的分析活塞零部件的就够强度问题。热负荷问题，而研究分析的结果与试验箱就和将验证试验进行的有效性。

鉴于此，采用有限元技术，应用ANSYS软件，对某发动机活塞进行了温度场的数值模拟,进而了解了活塞的热负荷状态和热应力分布情况,为降低热负荷,改善热应力分布和改进设计,提高内燃机的性能与可靠性提供必要的理论依据,具有十分重要的意义。

1.2有限元分析研究的发展现状

有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，市场了各种复杂工程问题的主要分析手段，也是进行科学研究的重要工具。目前，国际上有90%的机械产品和装备都有采用有限元方法进行分析，进而进行设计修改和优化。实际上有限元分析已成为替代大量食物试验的数值话“虚拟实验”，基于该方法的大量计算分析与典型的验证想试验箱结合可以做到高效率和低成本。

20世纪40年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻，强度高，刚度好，人们不得不尽享精确的设计和计算，正是在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法。1941年，Hrenikoff使用“框架变形功方法”求解了一个弹性的问题，1943年，courant发表了一篇使用三角形区域的多项式函数求解扭转问题的论文，这些工作开创了有限元分析的先河。1956年波音公司的Tumer，Clough,Martin和Topp在分析飞机就够是系统研究了离散杆，梁，三角形的单元刚到表达式，并求得盈利问题的正确解答。1960年，Clough在处理屏幕弹性问题时，第一次提出并使用“有限元方法”的名称。随后大量的工程师开始使用这一离散方法来处理结构分析，流体问题，热传导等复杂问题。1970年以后，有限元方法开始应用于出来几个分析，流体问题，热传导等复杂我问题。1970年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题，Oden于1972年出版了第一本关于处理非线性了连续体的专著。在工程师研究和应用有限元方法的同时，一些数学家也在研究有限元方法的数学基础。1943年Courant的研究了求救平衡问题的变分方法，1963年，Besseling，Melosh和Jones等人研究了有限元方法的思想原理。我国的湖海昌于1954年推出里广义变分原理，钱伟长最先研究里拉格朗日乘子法和广义变分原理之间的冠以，冯康研究了有限元分析的精度和收敛性问题【14】。

由于有限元方法的研究在科学研究和工程分析中的作用和地位，关于有限元方法的研究已成为数值计算的主流。目前，国际上著名的通用有限元分析软有ANSYS,ABAQUS,MSC/NASTRAN,MSC/MARC,ADINA,ALGOR,PRO/MECHANICA,IDEAS等。

1.3内燃机活塞有限元已经发展的趋势

1.31内燃机与活塞的热负荷

内燃机的热负荷包括两个方面的含义;

其一是，内燃机的受热冷部件由于温度过高而失去工作能力。如零部件由于高温而烧蚀，烧熔；零部件收热变形，破坏了正常的工作间隙；材料强度因高温急剧下降或硬度下降而加速磨损；高温引起润滑油结胶等。但内燃机零部件的味道并非越多越好，作为内燃机燃烧冷部件，它必须维持一定的热状态或温度水平，以保证真诚的燃烧过程进行。某些零件还比限定其最低的许可温度，以预防材质的冷腐蚀。如活塞顶和第一环槽处的味道分别不能低于205℃和140℃，缸套下咽我的不能低于100℃等。

其二是，内燃机受热零部件的高周疲劳破坏和低周疲劳破坏。它一直是偶工作循环的味道波动而产生的高周热应力，或内燃机频繁起动、停车和蝙蝠和运转而产生的低周热应力，在活塞顶部、气缸盖底部等处与有我的梯度所产生的热应力叠加，而导致热疲劳损坏。

1.32 内燃机活塞国内外研究现状

活塞研究主要有传力、传热、导向、密封、减轻重量和耐磨六个方面，实际上会絮叨一定相互矛盾的问题。有些问题如密封效果，磨损熟虑等着很难计算。活塞的设计在很大程度上依赖于又有的大量专门的试验研究的成果和经验。在活塞传热、温度场、应力场研究上，无论在理论分析方面还是在试验方法方面目前都已比较成熟【27】。八十年代国外有关研究有：利用有限元法对策研究活塞进行了数值分析，他详细论述了有限元方法在柴油机活塞设计中的应用，给出了温度场、热变形、机械变形以及应力场，反映了一般柴油机活塞在这方面的变化趋势。

国内八十年代初对内燃机受热件的瞬态温度场进行了一位老外计算和有限元差分计算，对对一额吸纳工作和边界条件都十分复杂的活塞，一维数学模型就显得太粗糙，应用有很大的局限性。九十年代，按照热疲劳和高温低周活塞寿命和安全性进行评定。根据缸内温度和压力呈现三角波形变化的态度，采用ANSYS有限元程序对策研究性三维温度场的分析。利用Galerkin法原理，建立了轴对称热冲击问题的有限元方程，对策研究活塞进行了数值分析，研究活塞的热冲击和热损伤机理【28】。

1.4 本文的主要研究内容的介绍

活塞热负荷的解决常常是提高整机技术水平的关键，直接影响发动机工作可靠性和耐久性，而温度场的分析建立又是活塞热负荷的前提。特别在现代发动机向高增压、高强度的方向发展的趋势下，对活塞这样的收入零件仅考虑机械负荷时远远不够的。发动机实际运行中更多的表现为局部热负荷水平太高，超过材料的承受极限而引起热裂和烧熔等。因此，内燃机缸内传热的计算机房设计辅助优化设计已成为一大研究课题。热负荷水平常用零件工作的最高温度，局部不同方向的温度梯度及对应的热应力，

热应变和零件局部承受的低频和高频热疲劳来评定。本课题正是应有计算机技术，利用目前在国内十分流行的有限元分析软件ANSYS，在UG里面建立了某个发动机的活塞几何模型，基本目的是解决工程技术中受热件温度过高造成的零件破坏问题。更进一步的目标是期望对未来的发动机早期设计在采用数值模拟方面做一些有益的探索，减少盲目的设计和实验成本。

本文的具体内容为：使用UG三维作图软件建立了活塞的实体模型，并将其导入ANSYS软件进行温度场的分析和处理，得到了内容丰富的结果数据。依据发动机的实测示功图，按照公式，用积分方法得到了活塞顶部燃气对活塞的换热系数和环境温度。分析活塞在缸内的受热情况，从理论上深入了解模型的简化方法，施加适当的边界条件和约束关系，计算活塞在温度等载荷条件下的温度分布。

第二章有限元热分析的理论基础

2.1有限元法的简介

2.11有限元法基本原理和基本流程

在工程技术领域中有许多发展结构，包括复杂的几何形状、载荷作用和支承约束等。当对这些复杂问题进行静、动态力学性能分析是，往往难以用解析方法写出其基本方程，也难以确定它们的边界条件，更求不出解析解。对于这类工程实际问题，通常有两种分析和研究途径：一是对复杂问题进行简化，提出种种假设，最终简化为一个能够求解的问题。这种方法由于太多的假设和简化，将导致求解不准确乃至得出错误的答案。另一种方法是尽可能保留问题的各种实际工况，寻求近似的数值解。在计算机技术和数值计算方法飞速发展的今天，后者已经成为较为现实而又非常有效的选择。在众多的近似分析方法中，有限元法是最为成功和运用最为广泛的方法[32]。

有限元单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式组合，且单元本身有可以有不同的形状，因此可以模拟化几何形状复杂的求解域。有限元法作为数值分析方法的另外一个重要特点就是利用在每个单元内加速的金属函数来分片的表示全求解域上的带球的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量（也即自由度），从而使一个连续的有限元自由度问题变成离散的有限元自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元每场函数的近视值，从而的到整个求解域内的近似解。显然随着单元数码得到增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着电影自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后收敛于精确解。

概括地说，利用有限元法处理活塞温度分析的基本思路就是将一个连续的整体进行离散化,分割成彼此用节点相连接的有限个单元,建立单元的泛函叠加而得到的整个结构的泛函关于温度的表达式,再由求泛函极值的方法,得到以结构节点温度为未知数的线性方程组,解之可以求得结构节点的温度值[29-31]。

完整的有限元法的基本流程图如下图所示：

2.1.2有限元法的优缺点

有限元法的优点是显而易见的，其主要是【34】：

（1）概念浅显，易于掌握，既可以从直接的物理模型来理解，也可以按严格的数量逻辑来研究；

（2）适应性强，应用范围广，不仅能成功地分析具有复杂边界条件、非线性、非均质材料、动力学等难题，而且还可以推广到解答数理方程中的其它边值问题，如热传导、电磁场、流体力学等问题；

（3）由于前处理和后处理技术的发展，可以进行大量方案的比较分析，并迅速用图形表示计算结果，从而有利于对工程方案进行优化。

（4）已经出现了许多大型结构分析通用程序，如SAP,NASTRAN,ANSYS,ABAQUS,ASKA,ADINA等，可以直接应用。

这些优点使有限元得到了广泛的应用和发展。

但是，有限元法也后不知，最主要体现在应用上：

（1）有限元计算，尤其是在复杂问题的飞行上，所耗费的就是资源是相

当惊人的，就是资源包括技术设计、内存和硬盘。

（2）对无限区域问题，有限元法较难处理。

（3）结构现在的有限元软件提供了自动化分网格的就是，但到底采用什么样的单元、网格密度多大才合适等问题完全依赖于经验。

（4）有限元分析所得结果不是计算复杂工程的全部。一个完整的机械设计不能单独使用有限元分析完成，必须结合其他非和工程实践才能完成整个工程设计【33】。

2.2活塞有限元热分析的理论基础

2.21 稳态温度场【35】

傅立叶定律的项链表达式为：

式中：q表示热流密度，单位是w/m，

λ表示物质的导热系数，单位是W/m.℃

n表示单位法向向量

表示温度在n方向上的导数

负号表示热量传递方向指向温度降低的方向。

傅立叶定律向量表达式的分量形式可表示为:

式中: A表示面积，单位是mZ

Q表示流经单位面积的热量，单位是W。

稳态温度场实在不随时间变化的温度场，下面将以傅立叶导热定律和能力守恒定律为基础推导出无内热源的微元刘面体（图2.1）稳态温度场的微分方程式。流入委员为六面体的热量可分解为，流出微元六面体的热量可分解为

由（2.2）、（2.3）得：

又由能量守恒定律：（2.5）

（2.4）代入（2.5）整理得：

因为-λ、d

x d

y

d

z

横不为零，则有：

此即为无内源物体内部稳态温度场的微分方程式。

稳态温度场的微分方程式建立了温度与空间的关系，但满足此热传导方程的

解有无限个。为了确定稳态温度场微分方程式的唯一解，必须对其附加边界条件，即定解条件。将之与稳态热传导热微分方程联立求解，可得到物体内部的温度场分布。

2.22 温度场的三类边界条件【36】

求解稳态温度场的发布问题时，常见的边界条件可以归为三类：

1）第一类边界条件规定了边界上的温度值，此类边界条件最简单的典型例子就是规定边界我的保持常数，但大多数情况是指物体上的问答函数为已知，用公式表示为：

2）第二类边界条件规定了边界上的热流密度值，用公式表示为’

式中：q为已知热流密度（常数）

q（x,y,z）为已知热流密度函数用

3）第三类边界条件是指与问题相接触的流体介质的温度T f和换热系数α为已知，用公式表示为：

T f与α可以是常数，但大多数情况是随位置而变化的函数。

2.3 ANSYS有限元分析软件的介绍【37】

ANSYS是由美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件。自1970年成立以来，ANSYS公司在其创始人John Wanson教授的领导下，不断吸取世界最先进的计算方法和计算机技术，引导者时间有限元分析软件的发展。一起先进性、可靠性、开放性等特点，被全球工业界广泛认可。

ANSYS是集结构、热、流他、电磁场、声场、和耦合场分析于一体的大型通用分析软件。ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通与运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，ANSYS是这些领域进行国际国内分析

设计技术交流的主要分析平台。

ANSYS软件是第一个通过IS090001质量体系认证的大型分析设计类软件，是美国刚吃饭协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内，它第一个通过了这个压力容器标准化委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。

2.31 ANSYS的主要技术特点

ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在一下几个方面【39】：

1、数据统一。ANSYS使用同一的数据库来储存模型数据和求解结果，实现钱后处理分析求解及多场分析的数据统一。

2、强大的建模功能。ANSYS具有三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI就可建立各种复杂的几何模型。

3、强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。

4、强大的非线性分析功能。ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。

5、智能网格划分。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。

6、良好的优化功能。利用ANSYS的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案;利用ANSYS的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外形优化，寻找物体对材料的最佳利用。

7、可实现多场祸合功能。ANSYS可以实现多物理场祸合分析，研究各物理场间的相互影响。

8、提供与其它程序接口。ANSYS提供与大多数CAD软件及有限元分析软件的接口程序，可实现数据共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Algor一FEM、I 一DEAS、AutoCAD、SolidworkS、Parasolid等。

9、良好的用户开发环境。ANSYS提供开放式的结构，使用户可以利用APDL、UIDL和UPFs对其进行二次开发。

它的软件功能主要包括三个部分:前处理、分析计算和后处理。前处理模块(PREP7)提供了一个强大的实体建模和网格划分工具。ANSYS程序提供了两种实体建模方法:自顶向下和自底向上的设计方法。同时，ANSYS提供便捷高质量的网格划分功能，包括四种划分方法:延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。

分析计算模块，也就是求解模块(SOLUTION)，在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。后处理模块包括通用后处理模块(POSTI)和时间

历程后处理模块(POST26)。通用后处理模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出;时间历程后处理模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力和支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。

2.32 ANSYS分析过程

其分析过程包括3个阶段:前处理、求解和后处理。

前处理模块

前处理用于定义求解所需的数据。用户可选择坐标系统、单元类型、定义实常数和材料特性，建立实体模型，并对其进行网格划分、控制节点和单元以及定义祸合和约束方程。ANSYS提供了广泛的模型生成功能，使用户可快捷的建立实际工程系统的有限元模型。它提供了3种不同的建模方法，即模型导入、实体建模及直接生成。

求解模块

在前处理阶段完成建模后，用户在求解阶段通过求解器获得分析结果。在阶段用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有元求解。

后处理模块

ANSYS的后处理过程在前处理和求解过程之后，它可以通过友好的用户界获得求解过程的计算结果并对这些结果进行运算。例如这些结果可能包括位移温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式有图形显示和数据列表两种【38】。

第三章活塞模型的建立

3.1 活塞三维有限元模型的建立

3.1.1建模方法

要对具体工程问题进行有限元分析，首先必须建立该问题的有限元分析模型。在ANSYS分析计算过程中，建模和网格划分时花费时间最多、工作量最大的部分。广义上讲，模型包括所有的节点、单元、材料属性、边界条件，以及表现这个物理系统的其他特征。从狭义上讲（即在ANSYS中），建立模型指用节点和单元表示空间体域及实际系统连接的生成过程。

ANSYS软件为用户提供了以下几种建模方法：

（1）实体建模

实体建模：包括自上而下（top-down method）和自下而上（bottom-upMethod）两种方法。

自上而下法，即由建立最低单元的点到最高单元的体积，即建立点，再由点连成线，然后由线组合成面积，最后由面积组合建立体积。

自下而上法，即直接建立较高单元对象，其所对应的较低单元对象一起产生，对象单元高低顺序依次为体积、面积、线段及点。

立体结构一定要六面体相接而成。其优点有：

①对于庞大或复杂的模型，特别是三维模型更适合。

②便于使用ANSYS程序的优化设计。

③是适应网格划分所需的。

④是施加载荷后进行局部网格划分所需要的。

⑤便于几何上的改进和单元类型的改变，不受分析模型的限制。

⑥自上而下和自下而上的方法可以混合使用，灵活性很强。

但是，实体建模也存在其不利的一面。由于建模过程中需要建立点、线、面和体，很多位置参数都需要处理大量的数据后才能得到。简单零件直接建模所需的计算量小，但是对于大型或者复杂的零件，不仅操作起来非常乏味，而且有时候几乎不可能实现准确计算。

（2）从CAD系统中输入实体模型

ANSYS软件提供了与其他部分CAD软件和有限元软件的接口程序。允许用户在自己熟悉的CAD软件中建立几何模型，然后输入ANSYS中，作适当修改后转化为有限元

模型。这种建模方法的优点在于：

①可以避免对现有CAD模型的重复建模。

②用户可以利用自己熟悉的工具建模，提高建模速度。

但是在实际操作中却存在一些问题，例如很多CAD软件虽与ANSYS有接口程序，但并不是无缝接口，模型导入ANSYS后会出现大量数据丢失现象，轻者通过拓扑修复之后可与原模型保持外观效果一致，严重者模型大部分数据丢失，根本无法满足使用要求。在模型能够正常导入ANSYS的情况下，仍会出现模型无法划分网格或分网后的有限元模型无法进行计算的现象【40】。

本文是采用第二种方法建的模。在UG中，首先选择“新建”，建立平面坐标，根据资料画出其基本尺寸并约束如图3.1.1:

图3.1.1

经过以上模型建立的步骤可得下图3.1.2的活塞实体模型：

图3.1.2

3.1.2 模型的简化

由于有限元分析软件的解题能力有限，且活塞结构和导热边界条件是非常复杂的，在对研究对象进行计算分析时，必须对活塞模型结构进行简化。研究活塞的结构形状可以发现，活塞体特别是受载荷最大的头部，具有近似的轴对称形状。而且，燃气的爆发压力和惯性力也是均匀作用在活塞上，活塞各边界与周围介质如燃气、冷却水、冷却油等的热交换条件也可以近似的认为是轴对称的，所以活塞可以简化为轴对称问题求解。因此可以将活塞的非轴对称局部结构（如活塞内腔筋板等）做等刚度转化为轴对称的结构。而此时的活塞温度场也可以看作是轴对称温度场。根据对活塞温度的测量结果发现，活塞沿圆周方向的温度虽然有差别，但是这种差别一般来说还是在工程允许的范围内（相对误差为±5%左右）。

根据活塞实际形状在局部地方对其进行简化，将活塞通过轴线和销座孔中线平面

以及通过轴线和垂直于销座孔中心线平面都视为对称，忽略椭圆度。这样活塞就变成一个对称结构，可以根据需要和计算机的配置选取1/4或1/2进行计算，大大减少了分析计算量【41】。学生在本文所分析的活塞燃烧室为深凹形,位于活塞顶部的中央。取活塞的1/ 4 作为有限元分析的几何模型，模型用UG 软件建立,然后再引入到有限元分析软件中,使建立的几何模型真实再现活塞的实际结构,为有限元分析的顺利进行奠定基础。另外,用UG建立此模型的另一个优点是:便于对活塞进行尺寸上的优化设计以及结构上的改进。模型如图3.1.1所示的独立体三维活塞模型:

图3.1.3

3.1.3有限元模型的网格划分【42-43】

划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为能建立正确，合理的有限元模型，划分网格时必须遵循一定原则，如下：

（1）网格数量

网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。

（2）网格疏密

网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分

布特点。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。

（3）单元阶次

许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元。选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或曲面边界能够更好地逼近结构的曲线和曲面边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时间。

（4）网格质量

网格质量是指网格几何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格面不过分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量。划分网格时一般要求网格质量能达到某些指标要求。在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。而在结构次要部位，网格质量可适当降低。当模型中存在质量很差的网格(称为畸形网格)时，计算过程将无法进行。

（5）网格分界面和分界点

结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让边界条件来适应网格。常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几何尺寸突变面、分布载荷分界线(点)、集中载荷作用点和位移约束作用点等。

（6）位移协调性

位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间须用多点约束等式或约束单元进行约束处理。

（7）网格布局

当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性(如集中质矩阵对称)。不对称布局会引起一定误差。

（8）节点和单元编号

节点和单元的编号影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存储容量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。

因此，在本文中，为了获得准确的计算结果,应合理确定有限元划分方案。若局部的结果偏差比较大,则进行局部修正。本文才有那个自由划分模式，达到比较理想的结果。研究采用的网格划分结果如图3.1.2 、图3.1.3 所示。活塞共用了21047个8 节点的三维六面体单元solid70 来描述,每个节点有1个自由度，节点数为5004个。

图3.1.4

图3.1.5环槽局部网格划分情况

第四章活塞的温度场分析

4.1活塞温度的常规测试方法及原理【44】

内燃机活塞是在气缸中做往复运动,不断接受燃气爆发能量,从而使功率不断输出的重要零件。活塞直接接触高温燃气,顶部表面工作温度高达300～360℃,高温使活塞受热膨胀而在内部产生热变形和热应力,使活塞材料硬度和强度降低。热应力和热变形将影响活塞与缸套摩擦副的正常润滑,造成摩擦力增大、磨损加剧,甚至导致活塞环胶接、活塞与气缸咬合以及拉缸等。而活塞的热应力首先取决于活塞温度和温度梯度的分布,因此对内燃机活塞温度的正确实测,获得精确的活塞传热边界条件和放热系数,从而对活塞进行三维温度场分析,了解活塞的热负荷状态和热应力分布情况,进而为降低热负荷,改善热应力分布和改进设计,提高内燃机的性能与可靠性提供必要的理论依据,具有十分重要的意义。

迄今为止,要实际测试活塞在各个工况下的温度,是比较困难的。目前在活塞温度场的测试中,常规测试方法有易熔合金法、硬度标定法、接触式热电偶测温法等。4.1.1 易熔合金法

易熔合金法是利用一定成分的合金具有固定熔点这一特性来测量温度的方法。当合金熔化后,表明此零件在嵌入这一合金位置的温度至少已达到该合金的熔点。各种合金的成分和熔点在内燃机试验手册中可以查到。

测试过程中,要求事先用不同合金成分配制成从123～380℃范围内各种熔点的合金,然后在每个测量部位上钻3个相距约4 mm的小孔,预先估计此测量部位可能出现的温度,并在3个孔中嵌入熔点与此相近且依次相邻的3个易熔合金,使其与活塞接触良好,不应有空隙,同时要求易熔合金在熔化时能顺利流脱。当易熔合金都嵌装好后,将活塞装入内燃机,在欲测的工况下运转1 h左右。然后拆开内燃机,取下活塞,观察合金的熔化情况。由未熔化的合金熔点与其最近的熔化了的合金熔点的平均值作为此点的温度。该测量方法的测量精度取决于3个小孔中易熔合金的熔点间隔。

采用易熔合金法测量活塞温度误差较大,只能测出某一个温度范围;测量过程中工作量大,需要配比不同熔点的合金,由于测试中在活塞上钻许多小孔,影响了活塞的温度分布和强度;并且每测量一个工况还需要拆装一次。因此,一般来说在测量的工况不多,而且对活塞温度有一个初步概念的情况下使用该测试方法较好。

叶晓明等在柴油机活塞温度场试验研究及三维有限元分析论文中,就是利用易熔合金法,对CA6100 /125Z型柴油机活塞进行了温度场的测试。并在测试试验所得温度

的基础上,利用三维有限元计算方法计算了活塞的温度场分布。

4.1.2 硬度标定法(又称硬度塞测法)

某些金属在受热后会产生永久性硬度变化,这种硬度的最后变化取决于它所受的最高温度和在此温度下的延续时间,如果延续时间一定,则可建立温度与硬度的关系曲线,然后按测定的硬度值找出相应的温度。硬度标定法就是利用某些金属所具有的这一特性来测试温度的。

该测试方法要求热塞材料成分均匀,没有硬点和软点,淬火后材料的组织均匀、稳定,硬度高并且在65HRC以上。同时要求材料的硬度随回火温度的升高尽可能成线性关系下降。轴承钢及高碳钢基本能满足上述要求,可用作热塞材料。

安装过程中,预先将热塞材料制成圆柱钉或螺钉,然后将圆柱钉过盈配合嵌入活塞测温部位或将螺钉旋入活塞测温部位。测试过程中,要求内燃机从低负荷低转速逐渐增加,到达要测定工况后,稳定运行2 h; 然后取出活塞上各测点的热塞材料测量硬度,从预先标定的温度与硬度关系曲线中找出相应的温度。该测试方法无需引线以及专用设备,简便易行,而且可以测量活塞多个点的温度,对活塞温度分布和强度的影响不大。如果整个测试过程中,前后热塞材料的硬度都由专人测量,则误差可以控制在±2℃。

于旭东,王政等在车用发动机活塞稳定工况温度测量论文中,利用由35钢经810℃淬火后对其进行2h不同温度的回火处理制成温度记忆螺钉,对一普通型汽油机活塞进行了温度测试,测试结果与利用有限元测试结果比较接近。

4.1.3接触式热电偶测温法

热电偶法是利用两种不同导体或半导体组成热节点的热电效应来测试活塞温度的一种方法,这种方法不仅可靠、精度高、响应快、寿命长,而且可以方便地测试各种工况下的活塞温度。在该测试方法中,热接点要求尽量靠近被测表面,与接触表面热接触良好,热阻抗要小,并且有气密性。当然,热电极除了在热接点处有良好的电接触外,其它地方不应有短路现象。热接点的形成最常见的有压接法和焊接法。

采用该方法测活塞的温度,其信号的引出成为当前一大难题,目前热电偶信号的引出大致可分为连续信号引出和间歇信号引出两种方式。连续信号引出即直接引线法,是将活塞的温度信号在不影响内燃机的正常运行或改变其运行工况的情形下,通过一些信号引出装置将信号引出。而目前对于像活塞这样的往复式运动零件,热电偶信号的连续引出通常采用四连杆机构,操作起来难度大,因此大多采用间歇信号引出装置。常见的间歇信号引出装置有:滑行式接触装置和打击式接触装置等。因间歇信号引出装置所引出的信号是一个脉冲热电势,还需要将这个脉冲热电势经过电容积累器迅速

基于ANSYS活塞有限元温度场的分析与研究

第一章绪论 1.1内燃机活塞组有限元研究的背景和意义 内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，它主要利用燃料燃烧释放出的热能产生有用的机械能做功。经历了百余年的发展，内燃机领域己经取得了长足的进步。在现今的社会中，几乎所有的交通工具均以内燃机做其核心的动力源。回溯整个20世纪，内燃机技术的成熟推动了整个人类社会向前进步，其广泛的应用也造就了这个世纪的繁荣。 随着各种新技术的研究成果应用到发动机设计过程中，以及愈来愈严格的排放法规的现在，发动机正想着高转速，高功率和低油耗的方向发展。功率的提高必然带来一些负面的影响。如加重了活塞的热负荷，使得活塞的温度超过活塞材料所能承受的味道，大大降低了活塞磁疗的强度，严重时可能活塞会出现龟裂甚至烧损。缸内爆发压力增加是活塞和缸体，缸盖承受的接卸符合增大。可能导致活塞和缸体缸盖因强度不足而产生破坏。此外压力升高率过大时，会产生敲缸现象，增加发动机的燃烧噪声，当提高发动机的转速以增大发动机的功率时，各个运动部件的惯性力也随着增加，使得活塞销和活塞销座的受力问题更为突出。缸体对活塞的支撑力也增大。于是发动机的噪声问题成为整车噪声中的主要问题【21】。 尽管转速的自己可以减少发动机的传热损失，但却同时造成发动机的NOx排放增加，在排放法规要求日益严格的今天，这一问题的得与失显得要慎重考虑。不仅如此，还会造成摩擦损失的增加。 在满足发动机高功率设计的同时，必须要考虑发动机的温度和强度方面的要求。发动机是一切动力装置的新章，而作为发动机关键部件的活塞又是重中之重，活塞热负荷和热强度问题的解决常常是提高征集技术水平的关键，直接影响内燃机工作可靠性和耐久性。为了减少发动机的整机重量和提高功率，中小型柴油机几乎都采用铝合金作为材料，为了减少活塞的传热和热负荷，人们正尝试使用陶瓷作为活塞的材料。 有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。它不但可以解决工程中的结构分析问题，也成功地解决了传热学，流体力学，电磁学和声学等领域的问题。有限元计算结果可以作为各类工业产品设计和想能分析的可靠依据。使用有限元方法分析活塞模型，可以很直接的分析活塞零部件的就够强度问题。热负荷问题，而研究分析的结果与试验箱就和将验证试验进行的有效性。

基于ANSYS的温度场仿真分析

基于ANSYS的温度场仿真分析 引言： 在工程领域中，温度场分布的仿真分析是一项重要的工作。温度场分 布的准确预测和优化设计对于许多工业过程和产品的设计和改进至关重要。在这里，我们将介绍一种基于ANSYS软件的温度场仿真分析方法。 一、ANSYS软件简介 ANSYS是一种广泛使用的通用有限元分析（FEA）软件。它提供了强 大的功能，可以进行多种物理和工程仿真分析。其中，温度场分布的仿真 分析是ANSYS的一个主要功能之一 二、温度场仿真分析的步骤 1.几何建模：使用ANSYS的几何模块进行物体的几何建模。可以通过 绘制二维或三维几何形状来定义和创建模型。 2.网格划分：对几何模型进行网格划分，将其划分为小的单元，以便 进行离散化计算。网格划分的质量直接影响到仿真结果的准确性和计算速度。 3.边界条件设置：根据具体的问题，设置物体表面的边界条件。边界 条件包括固定温度、传热系数、对流换热等。边界条件设置的准确与否对 温度场的分布有重要影响。 4.材料属性定义：为物体的各个部分定义材料属性，包括热导率、热 容量等。这些属性是模型中的重要参数，直接影响到温度场的分布。

5.求解和后处理：设置求解算法和参数，开始进行仿真计算。求解器 根据网格和边界条件，通过计算方程的数值解确定温度场的分布。计算完 成后，可以进行后处理，生成温度场分布的图表和报告。 三、温度场仿真分析的应用 温度场仿真分析在多个工程领域中得到广泛应用。以下是几个示例： 1.电子设备散热优化：通过温度场仿真分析，可以评估电子设备中的 热量分布，优化散热设计，确保电子设备的正常运行和寿命。 2.汽车发动机冷却系统：通过温度场仿真分析，可以预测汽车发动机 冷却系统中的温度分布，优化冷却器的大小和位置，提高冷却效果。 3.空调系统设计：通过温度场仿真分析，可以预测房间内的温度分布，优化空调系统的风口布置和参数设置，实现舒适的室内温度。 4.熔炼和混合过程优化：通过温度场仿真分析，可以预测熔炼和混合 过程中的温度分布，优化加热和冷却控制，提高生产效率和产品质量。 结论： 基于ANSYS的温度场仿真分析是一种强大而有效的工程工具。它可以 帮助工程师在设计和改进过程中预测和优化温度场的分布。通过合理的几 何建模、网格划分和边界条件设置，以及准确的材料属性定义，可以得到 准确可靠的温度场分布结果。这将有助于改进产品的设计和工艺控制，并 提高产品的性能和质量。

ANSYS大型变压温度场的有限元分析

ANSYS大型变压温度场的有限元分析 杨涛 华北科技学院机电工程系材控B112班 摘要：变压器是一种静止的电能转换装置，它利用电磁感应原理，根据需要可以将一种交流电压和电流等级转变成同频率的另一种电压和电流等级。它对电能的经济传输、灵活分配和安全使用具有重要的意义；同时，它在电气的测试、控制和特殊用电设备上也有广泛的应用。如何开发合适的温度场计算技术，准确地计算变压器在各种运行状态下内部线圈、结构件及铁芯等部位的温度，控制内部热点温度不超过其内部绝缘材料的许用温度，从而保证变压器的热寿命，提高变压器的安全可靠性，是企业急需解决的问题。准确计算出变压器的平均温升和最热点温升，并合理地控制其分布，以满足标准要求，是保证变压器安全、稳定和高校运行的关键。 关键字：温度场;变压器；铁芯；有限元；ANSYS 1引言 变压器是电力网中的主要设备，其总容量达到发电设备总容量的5～6倍。电力变压器的技术性能、经济指标直接影响着电力系统的安全性、可靠性和经济性。随着科学技术的发展、生产技术的进步以及新型电工材料的开发应用，变压器的各项性能指标不断刷新，单机容量越来越大，变压器中的漏磁场也随之增大，引起了人们的关注。在额定运行情况下，漏磁场的增强引起的变压器附加损耗的增加将直接影响变压器的运行效率和产品的竞争力。严重的是，由于漏磁场在一定范围内的金属结构件中产生的涡流损耗不均匀，有可能造成这些结构件的局部过热现象。变压器的容量越大，漏磁场就越强，从而使稳态漏磁场引起的各种附加损耗增加，如设计不当它将造成变压器的局部过热，使变压器的热性能变坏，最终导致绝缘材料的热老化与击穿。 在电力系统发生短路时，暂态短路电流产生的漏磁场还可能产生巨大的机械力，对其绝缘和机械结构造成致命威胁。为了避免此种事故发生，必须对漏磁场进行全面的分析。为此，对变压器运行的效率、寿命和可靠性提出了越来越高的要求。 变压器在220℃温度下, 保持长期稳定性，在350℃温度下, 可承受短期运行，在很广的温度和湿度范围内, 保持性能稳定，在250℃温度下, 不会熔融,流动和助燃，在750℃温度下, 不会释放有毒或腐蚀性气体。为了减少过高温度对变压器绝缘材料的影响，使变压器实现预期的使用寿命，保证变压器安全可靠的运行，变压器各部分都有各自所规定的温度极限，现主要对变压器的铁芯和绕组进行有限元分析。 2变压器 2.1变压器的基本原理 由于变压器是利用电磁感应原理工作的，因此它主要由铁心和套在铁心上的两个（或两个以上）互相绝缘的线圈所组成，线圈之间有磁的耦合，但没有电的联系（如图1所示）。

基于ANSYS的温度场计算

基于ANSYS的温度场计算 随着科技的进步，现代工程设计往往需要考虑一系列的复杂因素，其 中一个重要的因素就是温度场分布。温度场计算是工程设计中的一项重要 任务，它能够帮助工程师确定材料的热传导性能、预测材料的热应力以及 确定结构的热舒适性。 ANSYS是一款常用的工程仿真软件，它提供了强大的温度场计算功能。在ANSYS中，温度场计算通常通过有限元方法实现。有限元方法是一种将 实际物体划分成许多小单元，通过对每个小单元进行数值计算来近似解决 连续问题的数值方法。 在进行温度场计算之前，首先需要为模型建立几何模型。ANSYS提供 了几何建模工具，可以通过绘制几何形状或导入现有模型来快速创建几何 模型。一旦几何模型建立完成，接下来需要为模型设定边界条件。边界条 件包括热源、散热边界和绝热边界等。对于边界条件的设定需要根据具体 的问题需求进行合理的选择。 在边界条件设定完成后，就可以进行网格划分了。网格划分是指将连 续分布的模型划分成有限个小单元的过程。ANSYS提供了多种网格划分算 法和工具，可以根据模型的复杂程度和计算精度需求选择合适的网格划分 方法。一般来说，网格划分的精细程度会直接影响计算结果的准确性和计 算效率。 完成网格划分后，就可以进行温度场计算了。在ANSYS中，温度场计 算可以使用传导模块或者多物理场模块。传导模块适用于只考虑热传导的 问题，而多物理场模块则可以考虑多种物理过程的相互作用。通过设置合 适的物理参数和材料属性，ANSYS可以对模型进行温度场的模拟和计算。

在计算过程中，ANSYS会根据初始条件和边界条件，求解模型的温度分布，并输出相应的结果。 温度场计算结果的解释和分析是温度场计算的最后一步。ANSYS提供 了丰富的后处理功能，可以对计算结果进行可视化展示和分析。通过后处 理功能，工程师可以直观地了解模型的温度分布情况，进一步评估设计的 合理性，并根据需要进行优化。 综上所述，基于ANSYS的温度场计算是一项非常重要的工程设计任务。通过合理的几何模型建立、边界条件设定、网格划分和温度场计算，工程 师可以快速准确地获取模型的温度分布情况，并进行相应的分析和优化。 这对于工程设计的可靠性和效率提升都具有重要的意义。

Ansys有限元分析温度场模拟指导书

实验名称：温度场有限元分析 一、实验目的 1. 掌握Ansys分析温度场方法 2. 掌握温度场几何模型 二、问题描述 井式炉炉壁材料由三层组成，最外一层为膨胀珍珠岩，中间为硅藻土砖构成，最里层为轻质耐火黏土砖，井式炉可简化为圆筒，筒内为高温炉气，筒外为室温空气，求内外壁温度及温度分布。井式炉炉壁体材料的各项参数见表1。 表1 井式炉炉壁材料的各项参数 三、分析过程 1. 启动ANSYS，定义标题。单击Utility Menu→File→Change Title菜单，定义分析标题为“Steady-state thermal analysis of submarine” 2.定义单位制。在命令流窗口中输入“/UNITS, SI”，并按Enter 键

3. 定义二维热单元。单击Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete 菜单，选择Quad 4node 55定义二维热单元PLANE55 4.定义材料参数。单击Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models菜单

5. 在右侧列表框中依次单击Thermal→Conductivity→Isotropic，在KXX文本框中输入膨胀珍珠岩的导热系数0.04，单击OK。 6. 重复步骤4和5分别定义硅藻土砖和轻质耐火黏土砖的导热系数为0.159和0.08，点击Material新建Material Model菜单。 7.建立模型。单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→By Dimensions菜单。在RAD1文本框中输入0.86，在RAD2文本框中输入0.86-0.065，在THERA1文本框中输入-3，在THERA2文本框中输入3，单击APPL Y按钮。

基于ansys的冻结过程中温度场的有限元分析

基于ansys的冻结过程中温度场的有限元分析当系统处于冻结状态时，物理量如温度场的变化是很重要的，而且从环境以及与之有关的实际工程中也有重要的应用。有限元分析（FEM）已经广泛应用于分析研究冻结状态下物理量（如温度场）的变化。本文将使用ANSYS软件（Finite element Analysis， FEA），在研究有限元技术在冻结过程中温度场分析方面的应用，以期确定不同材料和环境条件下冻结深度的影响。 背景知识 冻结是一种特定的过程，在冻结过程中，温度将从最初的正温度（或特定的高温）下降。如果材料热容量非常大，则温度将减少得很慢。为了研究这种情况，需要使用有限元（FE）分析法以及ansys软件。ANSYS软件是一款专门用于多物理场仿真研究的一款商业有限元分析软件。它利用有限元（FE）分析方法来模拟多物理场耦合系统，比如流体力学、热传导、振动、结构分析等等。 方法 本文使用ANSYS软件，进行有限元分析，研究冻结过程中的温度场变化。在该研究中，我们采用了一种简单的工程模型，模拟一个椭圆形的铝层被覆盖在玻璃表面上，而后又覆盖上一层塑料，当外界环境温度降到零度时，在这三层材料之间发生冻结过程。 结果 本研究发现，当外部温度以1°C/h的速率下降时，层之间的温度发生了很大的变化，塑料层内部温度比玻璃表面温度还要低，而铝

层内部温度比塑料层内部温度更低。当外部温度降到-20°C时，塑料层内部温度降至-20.1°C，而铝层内部温度降至-20.4°C。 结论与展望 实验研究表明，不同的材料条件和环境条件对冻结深度有很大的影响，玻璃表面温度会受到材料良好的导热性能的改善，而塑料层内部温度会降低得更深，其冻结深度也会较铝层内部温度更低。本文研究表明，采用有限元分析法，可以较好地分析冻结过程中温度场的变化，因此，该技术在冻结深度研究方面是非常有用的，可以有效地解决实际工程中面临的问题。 总结 本文以《基于ANSYS的冻结过程中温度场的有限元分析》为标题，通过使用ANSYS软件，以及有限元分析方法，研究冻结过程中不同材料和环境条件下温度场的变化情况。实验表明，不同材料条件和环境条件对冻结深度有很大的影响，有限元分析方法可以较好地分析冻结过程中温度场的变化，在实际工程中具有重要的应用价值。

基于ANSYS的温度场计算

基于ANSYS的温度场计算 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。 应用ansys分析软件对一个具体的对象进行分析和计算时，完整的ansys 分析过程可分成三个阶段:即前处(Preprocessing)，前处理是建立有限元模型，完成单元网格剖分:求解(Solution)和后处理(Postprocessing)，后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。下面分别进行说明。 Ansys的前处理 Ansys的前处理技术一般由两部分组成:一、对求解场域进行离散，生成有限元网格;二、区域物理参数的处理。网格剖分主要是实现对求解场域单元的自动剖分，自动把各个单元和节点进行编号，确定各节点的坐标、边界节点的编号等数据，形成一个数据文件，作为有限元程序的输入数据。为了方便查看各单元剖分情况，判断合理性，还要绘制网格剖分图。自适应网格剖分(Adaptive Mesh Generation)及其加密技术是近年来ansys温度场计算中发展比较快和比较完整的内容，它也属于ansys的前处理范畴。 前处理程序是定义问题的程序，它安排所有必须进行汇编的实体数据。它由可分开的两部分组成。第一部分是几何图形和拓扑结构的描述，即该实体有一定几何形状和材料性质，这是对原型样机的结构仿真，我们通过第一部分的工作建立有限元分析实体模型。第二部分可以认为是对原型样机进行仿真的实验描述，包括边界条件、激励和时间变化情况的处理。 一个恰当的、剖分质量好的有限元网格，对计算的作用是致关重要的。网格单元的数量、形状与密度分布，将会对计算结果的精确度、计算效率和计算资源的利用产生直接的影响。而对于复杂的几何体，网格的划分相当费时且容易出错。现在，为了适应分析对象的大型化、高精度的计算结果要求和运行处理自动化的需要，必须实现有限元网格的自动生成，来解决手工操作时存在的工作量大、处理过程繁琐和出错率高等问题。随着有限元数值计算技术的日益成熟，网格生成

基于ANSYS的温度场模拟

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/0219509283.html, 基于ANSYS的温度场模拟 作者：欧青华 来源：《西部论丛》2018年第07期 1 引言 传统的针对军用装备的焊接维修方式已经明显不能适应现代战争的需要，战争对装备的毁坏是巨大的，因此，需要在技术上有大幅度提高，保证维修过程的迅速准确。随着现代科技的发展，数学模型和数值模拟技术的应用越来越广泛。倘若对工程装备的焊接能够通过计算机进行模拟，我们就能够通过计算机系统来确定焊接的最佳设计、最佳参数和最佳工艺。 通过数值模拟可以在很大程度上节约战场人力、物力和拓展战场时间，特别是面对复杂的大型军用装备，该类型军用装备结构复杂，焊接过程中需要更精确的参数，随着计算机技术的发展以及有限元法的建立，越来越多的焊接工作者利用数值模拟技术研究焊接问题，并取得了丰富的成果。 本文在总结前人工作的基础上，全面系统地论述了焊接温度场的基本理论，并应用有限元分析软件ANSYS对平板堆焊温度场进行了军用工程机械数值模拟计算。本文主要内容为： 1.通过对高斯热源的焊接温度场进行模拟，讨论了焊接参数对温度场的影响。 2.用直接法模拟计算焊接温度场，得出最佳参数。 军用工程机械焊接数值模拟的现实意义在于，根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化工艺参数，从而减少不必要工作，提高焊接质量和效能。 2 有限元分析的理论基础 有限元法（Finite Element Method， FEM），又称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。它是随着电子计算机技术的发展而迅速发展起来的一种新型现代计算方法。 2.1 有限元法介绍 将物理结构分割成不同类型、不同大小的区域，这些区域就称为单元。根据不同进行科学分析，推导出每一个单元的作用力方程，集成整个结构的系统方程，最后求解该系统方程并得出结论的方法，就是有限元法。简单地说，有限元法是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元间只通过节点相联系，将所有力和位移都进行简化，通过节点进行计算。对每个相应单元，选取合适的插值函数，使得该函数在子域内部、自语分界面上以及子域与外界分界面上都

ANSYS活塞温度场分析全过程

目录 1 概述------------------------------------------ 2 2 CATIA建模过程--------------------------------- 3 3 ANSYS分析过程------------------------------- 10 4 结果分析-----------------------------------------14 5 参考文献--------------------------------------- 15

1.概述 1.16125柴油机活塞基本条件： 缸径D=125mm，6缸。活塞是发动机的重要部件之一，与连杆构成发动机的心脏，活塞通过运动将燃气压力传递给连杆再至曲轴输出，工作时受力非常复杂。 随着发动机向高速度、低能耗方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。目前车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷材料等。铝合金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动惯性，因此铝合金活塞常用于中、小缸径的中、高速发动机上。与铸铁活塞相比，铝合金活塞导热性好，工作表面温度低，顶部的积碳也较少。 活塞由活塞顶、头部、群部构成。活塞顶的形状分为平顶、凸顶、凹顶。平顶活塞结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀、多用在汽油机上；凸顶活塞顶部突起成球状、顶部强度高、起导向作用、有利于改善换气过程。凹顶活塞可改变可燃混合气的形成和燃烧，还可以调节压缩比。 活塞工作时温度很高，顶部可达600 ~700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受的气体压力很大，特别是作功行程压力最大，柴油机活塞顶燃烧最高压力5～9Mpa，这就使活塞产生冲击和侧压力的作用；根据活塞实际最大爆发压力工况添加边界条件，选用压力为5MPa 便于做有限元分析，此方案采用w顶活塞，用于六缸发动机

Ansys有限元分析

Ansys有限元分析Ansys培训Ansys教程 Ansys培训课程 培训内容： 有限元分析理论、Ansys实体建模、3D图形导入转换、网格划分、前处理及加载和求解、结构强度分析、振动频率分析、谐响应分析、扭曲分析、机构尺寸优化分析、疲劳分析、热力分析、跌落测试、响应谱分析等有限元分析。 （注：Ansys可直接调用pore、UG、Solidworks、catia、solidedge、Inventor 等软件的三维模型，无需转换成IGES、stp等格式就可以直接进行分析，模型在三维软件更新后，可以直接在Ansys里动态更新） 应用行业：可应用于机械、汽车、家电、电子产品、家具、建筑、医学骨科等产品设计及研发。其作用是：确保产品设计的安全合理性，同时采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本; 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题; 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费; 是产品设计研发的核心技术，真正的高薪行业！

什么是有限元分析？ 有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)的基本概念是将较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元分析软件及分类：ANSYS有限元分析、Abaqus有限元分析、nastran 有限元分析、hypermesh有限元分析、Dynaform钣金冲压有限元分析、deform 有限元分析、cosmos有限元分析、Proe有限元分析、UG有限元分析、结构有限元分析、流体有限元分析、热力有限元分析、温度场有限元分析、磁场有限元分析。 Ansys有限元的分析类型：结构静力分析，动力学分析，显式动力学，屈曲分析，接触非线性分析，疲劳寿命分析，模态频率分析，谐振响应分析，跌落碰撞分析，热结构耦合分析，管道流体分析，流固耦合分析，弹塑性材料CAE分析，材料非线性力学分析，岩土材料非线性分析，橡胶材料超弹性分析，压力容器分析，货架分析，应力应变分析，受力分析，机械设计分析，汽车结构分析，电子电器分析，工程机械分析，瞬态分析，谱分析，汽车有限元分析，船舶结构有限元分析，通用力学分析等等。 Ansys软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析

柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析柴油机是一种重要的内燃机，其工作时在活塞上产生的温度场是影响其运行性能的重要因素。因此了解柴油机活塞温度场及其温度分布对提高柴油机性能具有重要意义。近年来，在研究该活塞温度场领域，越来越多的实验技术和数值分析方法相结合。本文将介绍一种全新的柴油机活塞温度场实验研究方法，并结合有限元热分析方法进行模拟分析，以期获得更加准确的数据。 首先，本文介绍柴油机活塞温度场实验研究方法，该方法可通过一具柴油机发动机的拆卸重新安装、采用特殊的热湿度测量仪和优化安装位置测量活塞表面温度，从而实现对柴油机活塞温度场分布的研究。通过重新安装发动机，采用热湿度测量仪和优化安装位置测量活塞表面温度，可以在不影响发动机正常运行的情况下，通过监测柴油机活塞表面的温度变化，详细研究出柴油机分块工作过程中活塞温度分布及其变化规律，从而对有效的提高柴油机性能具有重要的意义。 其次，本文将介绍有限元热分析方法，这是一种有效的数值方法，可用于研究柴油机活塞表面温度场分布及其变化规律。该分析方法主要针对柴油机微细结构，可以准确捕捉柴油机活塞温度分布，并可进一步预测活塞表面温度分布、高温部分温度与时间的变化规律。在此基础上，准确分析柴油机表面温度场，可以有效减少柴油机热损耗，提高柴油机效率。 最后，本文指出，柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析方法是有效提高柴油机性能的重要手段，它不仅可以准确捕捉柴油机活

塞温度分布，同时可以针对柴油机活塞表面温度场分布及其变化规律，采取有效措施提升柴油机性能。如此，可有效保证柴油机正常工作。 综上，柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析方法是一种有效的提高柴油机性能的重要方法，且广泛应用于柴油机的技术研究与改进中，具有重要的现实意义。 以上就是本文关于柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析 的全部内容，其研究方法和数值分析方法可以有效获得更准确的数据，从而准确研究柴油机活塞温度场分布及其变化，可有效提升柴油机性能，实现柴油机正常工作，从而具有重要的现实意义。

基于ansys的冻结过程中温度场的有限元分析

基于ansys的冻结过程中温度场的有限元分析冻结过程是很常见的一种物理现象，它是指在经历一定的温度的作用下，液体变为固体的过程。然而，这种过程的温度分布存在多种不确定性，它需要利用有限元分析来进行定量研究。针对这种情况，本文将以《基于ansys的冻结过程中温度场的有限元分析》为标题，对冻结过程中温度场的有限元分析进行研究。 首先，对冻结过程进行简要介绍。冻结过程是指物质在一定温度条件下，由液体变为固体的现象。在这种情况下，物质的温度变化不一致，其分布有多种形式，并且受到物质的性质和其它外界因素，如温度、压强、热流等的影响。因此，如何精确的表征这种温度场的变化，是研究冻结过程的一个重要环节。 其次，对有限元分析方法进行介绍。有限元分析是一种基于数值技术计算物体力学性能的分析工具，它是基于有限元分析理论，以求解结构力学问题为主要目标。其计算原理是将实际的结构模型用一系列的有限元来代表，以计算结构的变形和接触应力等特性。有限元分析可以用来解决复杂材料温度场传播和弯曲分析等问题，是研究物理力学和热力学特性的一种有效方法。 此外，介绍使用有限元分析软件Ansys来研究冻结过程中温度场的步骤。Ansys是一款功能强大、使用方便的有限元分析软件，具有仿真、精度高、多种物理特性和界面友好等优点，支持多种力学和热学分析，如静力学、弹性力学、多体动力学、渗流、熔融模拟等，可以实现数值模拟计算，从而解决复杂的热力学分析问题。

最后，利用Ansys软件对冻结过程中的温度场进行研究。首先，建立冻结过程的温度场模型，其次，设置相应的材料性质，在接下来的分析步骤中，通过设置熵热模型和外加源分别得到温度场的时间变化和温度场的空间分布情况。之后，利用Ansys软件在给定的温度条件下，经过相应的计算与验证，确定计算模型的准确性，最后得到温度场的时空分布情况。 综上所述，基于Ansys的有限元分析，可以有效的解决冻结过程中的温度场问题。在深入的研究中，可以进一步挖掘Ansys软件的功能优势，以求解更多复杂的多物理场力学分析问题。

柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析

柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析柴油机是一种集高效、经济、环保和实用性特性于一身的发动机。在柴油机的设计过程中，温度场是一个重要的因素，它主要决定了柴油机的效率和寿命的长短。因此，对柴油机活塞温度场的研究已成为一项重要的研究课题。本文将从热传导的角度出发，结合实验和有限元分析的方法，对柴油机活塞温度场的研究进行详细的介绍。 首先，从实验方面来讨论柴油机活塞温度场。首先，在柴油机活塞温度场实验中，使用了采用温度传感器组成的测温系统来进行温度场的实测。该测温系统由温度传感器、电子枪、计算机硬件、软件及测温记录仪组成。数据采集和采样是在计算机平台上完成的，以得到温度场的实时实测值，最后可以得到温度场的2D或3D图形，便于分析温度场的分布状态。 其次，针对柴油机活塞温度场的实验，研究者可以使用有限元方法来优化柴油机的热传导性能。有限元方法的基本原理是，将机械结构分割成若干小的有限元单元，并分析各单元的热传导系数，最终确定柴油机活塞温度场的总体特性。本文采用ANSYS仿真软件作为有限元分析工具，并将热传导方程式建模成有限元，分别计算柴油机活塞中温度场的时空特性，取得其动态温度场的实时模拟值，以深入分析温度场的时变特性。 最后，根据实验和有限元分析的结果，可以得出柴油机活塞温度场分布图，并可以将它与柴油机实际操作中的温度场进行对比，以指导该柴油机的设计优化。在柴油机活塞温度场研究中，以上针对实验

与有限元分析的结合研究，可以更好地理解柴油机活塞温度场的变化规律，最终更好地保证柴油机的发动机性能与寿命的长期可靠性。 总之，柴油机活塞温度场的研究是十分重要的，可以从实验与有限元分析的结合研究方面，更加深入地理解柴油机活塞温度场的变化规律，从而更好地保证柴油机的发动机性能与寿命的长期可靠性。 随着动力技术的发展，柴油机活塞温度场研究将越来越受到研究者们的关注。研究者们可以继续探索不同燃烧方式下柴油机活塞温度场的变化特性，以指导柴油机的研制与设计。进而有助于柴油机在高效、经济、环保和实用性方面的更好发展。

ANSYS温度场分析步骤

ANSYS温度场分析步骤 ANSYS是一个计算机辅助工程软件，用于各种工程应用，包括温度场 分析。温度场分析主要是用于研究物体或系统内部的温度分布和传热过程，可以帮助工程师设计和改进各种设备和系统。下面是ANSYS温度场分析的 步骤： 1.准备工作：在进行温度场分析之前，首先需要准备好相关的几何模 型和网格模型。几何模型可以由CAD软件创建，而网格模型则需要使用ANSYS的网格生成工具进行网格划分。在划分网格时，需要根据物体的几 何形状和分析需求选择适当的划分网格的密度。 2.定义材料属性：在进行温度场分析之前，需要定义材料的热传导特性。在ANSYS中，可以通过输入材料的热导率、热容和密度来描述材料的 热性能。 3.设置边界条件：在进行温度场分析时，需要设置边界条件来模拟实 际工况。边界条件包括：初始温度、加热或冷却速率、边界热通量以及固 定温度等。这些条件将对温度场分析结果产生重要影响，需要根据实际情 况进行合理设置。 4.定义物理模型：在进行温度场分析之前，需要定义物理模型，包括 所分析的物体的几何形状和边界条件。在ANSYS中，可以通过绘制几何模 型和设置边界条件来定义物理模型。 5.进行温度场分析：在完成前面的准备工作后，就可以进行温度场分 析了。在ANSYS中，可以使用热传导分析模块来进行温度场分析。热传导 分析模块可以通过求解热传导方程来计算温度场的分布。分析结果可以包 括温度场分布图、热通量分布图等。

6.分析结果的后处理：在进行温度场分析之后，需要对分析结果进行后处理。后处理包括对温度场分布图进行可视化分析，并进行更详细的结果解释。可以通过ANSYS提供的后处理工具来进行分析结果的可视化。 7.结果验证和优化：在进行温度场分析之后，可以对分析结果进行验证和优化。验证可以通过与实际测量数据进行对比来确定模型的准确性和可靠性。优化则可以通过调整边界条件、几何形状或材料属性等来提高设计的性能。 总结：ANSYS温度场分析是一个非常强大和灵活的工程分析工具，可以用于各种工程应用。通过合理的准备工作、材料属性定义、边界条件设置、物理模型定义、温度场分析和结果后处理等步骤，可以得到准确的温度场分析结果，并通过验证和优化来不断提高设计的性能。

基于有限元软件ANSYS的活塞杆多场耦合计算与研究

基于有限元软件ANSYS的活塞杆多场耦合计算与研究 一、引言 汽车发动机是现代交通工具的核心部件之一，而活塞杆是发动机中的重要部件，其工 作环境非常复杂。在高速运转的情况下，活塞杆会承受来自活塞的冲击力和连杆的拉力， 同时还需兼顾循环热应力和气动力的影响。活塞杆的设计必须考虑多种因素的复杂耦合作用。有限元软件ANSYS是一款广泛应用于工程领域的有限元分析软件，可以用于复杂结构 的多场耦合分析。本文将以活塞杆为对象，利用ANSYS软件进行活塞杆的多场耦合计算与 研究，旨在研究活塞杆在不同工况下的受力情况和热应力分布规律，为活塞杆的设计与优 化提供理论依据。 二、活塞杆的结构与工作原理 活塞杆是发动机中连接活塞和连杆的重要传动部件，其主要作用是将活塞产生的往复 运动转化为连杆的旋转运动，并将动力传递给曲轴。在发动机运转过程中，活塞杆要承受 来自活塞的冲击力和惯性力，以及来自连杆的拉力。由于活塞杆与曲轴连接的端头还需承 受转动力矩的作用。活塞杆还受热应力的影响，由于其工作温度较高，会产生热膨胀效应，这也是需要考虑的因素。 三、活塞杆的多场耦合分析 1. 结构分析 对活塞杆的结构进行分析。活塞杆通常采用钢材制作，其结构是复杂的，需要考虑到 内部的孔洞、弯矩和拉力分布等。采用有限元软件ANSYS，可以建立活塞杆的三维有限元 模型，包括材料属性、几何形状和约束条件等。然后进行静态分析，得到活塞杆在不同工 况下的受力情况，如最大应力、最大位移等。 2. 热-结构耦合分析 活塞杆在发动机工作时会受到高温气体的影响，因此热效应也需要考虑进去。通过在 有限元模型上施加热载荷，可以进行热-结构耦合分析。在一定工况下，热载荷将导致活 塞杆产生热应力，而这些热应力又会影响活塞杆的结构性能。通过热-结构耦合分析，可 以得到活塞杆在不同工况下的温度场分布和热应力分布规律。 四、案例分析 以某型号柴油发动机的活塞杆为例，进行多场耦合分析。根据活塞杆的实际结构参数 和工作条件，建立其三维有限元模型，包括材料、几何形状、约束条件等。然后进行静态 分析，得到不同工况下的受力情况。接着，对活塞杆施加热载荷，进行热-结构耦合分析，得到温度场分布和热应力分布规律。加载动力载荷，进行动力-结构耦合分析，得到活塞

ANSYS计算温度场及应力场

基于ANSYS有限元软件实现施工温控仿真的主要技术（1）研究方法和分析流程 本次计算利用ANSYS软件来进行象鼻岭碾压混凝土拱坝全过程温控仿真计算分析。具体分析流程如下： 1）收集资料：包括工程气象水文资料、大坝体型、热力学参数、工程进度、施工措施、防洪度汛和蓄水等。 2）整理分析资料：参数拟合、分析建模方法。 3）建模：采用ANSYS软件进行建模，划分网格。 4）编写计算批处理程序：根据资料结合模型编写计算温度场的ANSYS批处理程序。 5）检查计算批处理程序：首先检查语句，然后导入计算模型检查所加荷载效果。 6）计算温度：使用ANSYS软件温度计算模块进行计算。 7）分析温度结果：主要分析各时刻的温度场分布和典型温度特征值。 8）应力计算建模：模型结构尺寸与温度分析模型相同，需要改变把温度分析材料参数改为应力分析材料参数。 9）计算应力：使用ANSYS软件温度应力计算模块和自编的二次开发软件进行计算。 10）分析应力结果：主要分析应力场分布和典型应力特征值。 11）编写报告：对计算流程和结果实施进行提炼总结，提出可行的温控指标和措施。 （2）前处理 1）建模方法选择。 有限元建模一般有两种方法：一种为通过点线面几何拓扑的方法建模，这种建模方法精确，但是比较费时。对于较大规模的建模任务花费时间太多。另一种为通过其他软件导入，如CAD，通过在其他软件中建模，然后输出为ANSYS 可以识别的文件类型，再导入ANSYS中完成建模过程，这种建模方式精度较直接建模的精度要稍低一些，但是由于要求建模的模型已经在CAD软件中完成了

初步建模，可以直接拿来稍作处理即可应用，时间花费较少。本计算选用从CAD 软件导入ANSYS中来建立模型。 2）建模范围。 建模范围可以分为全坝段建模和单坝段建模，全坝段建模可以全面反映整个坝体的温度和应力情况，但是建模难度高、计算量大；单坝段建模建模难度小，计算量也相对较小，一般情况下单坝段建模即可满足要求。 3）施工模拟层厚。 根据已建碾压混凝土坝经验，碾压层厚一般为0.3m左右，按照0.3m一层建模是最精确的，但是如果按照0.3m一层建模，计算网格数量巨大，计算时间长，对于硬件要求较高，在硬件和时间达不到要求的情况下，按照3m一层以下精度都是可以基本满足要求的。 4）分区模拟。 由于各分区混凝土水化热差别较大，对于温度计算影响较大，因此建模要尽量反映混凝土大坝内部分区变化。基岩由于对混凝土只是导热作用，且影响范围在10m左右，因此在计算时可以认为是均质体，计算热力学参数采用靠近建基面的地层参数。 5）参数选取。 参数一般选择可研阶段的材料试验报告，如果项目部未能提供这些资料，可以在征求同意的前提下，通过查阅相关书籍，尽量采取相似工程的资料。 （3）计算 1）ANSYS计算模块。 ANSYS计算温度场模块由其自带，可以直接进入模块计算。 2）化学产热模拟。 通过ANSYS中产热命令BFE模拟。 3）边界条件模拟。 ①对流边界条件通过命令SFA模拟。 ②接触散热边界条件通过命令D模拟。 4）浇筑模拟。 通过ANSYS中的生死单元功能实现，初始阶段所有单元均为死单元，死单

基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究

基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究 一、本文概述 随着现代工业技术的飞速发展，焊接作为一种重要的连接工艺，在航空、汽车、船舶、石油化工等领域的应用日益广泛。然而，焊接过程中产生的温度场和应力场对焊接结构的性能有着至关重要的影响。为了深入理解焊接过程中的热-力行为，预测焊接结构的变形和残余应力，进而优化焊接工艺参数和提高产品质量，本文旨在利用ANSYS有限元分析软件，对焊接过程中的温度场和应力场进行数值模拟研究。本文首先简要介绍了焊接数值模拟的意义和现状，包括焊接数值模拟的重要性、国内外研究现状和存在的问题等。随后，详细阐述了ANSYS 软件在焊接数值模拟中的应用，包括其基本原理、分析流程、模型建立、参数设置等方面。在此基础上，本文以某典型焊接结构为例，详细阐述了焊接温度场和应力场的数值模拟过程，包括模型的建立、边界条件的设定、求解参数的选择、结果的后处理等。对模拟结果进行了详细的分析和讨论，验证了数值模拟方法的准确性和可靠性，为实际工程应用提供了有益的参考。 本文的研究不仅有助于深入理解焊接过程中的热-力行为，为优化焊

接工艺参数和提高产品质量提供理论支持，同时也为ANSYS软件在焊接数值模拟领域的应用推广和进一步发展奠定了基础。 二、焊接理论基础 焊接是一种通过加热、加压或两者并用，使两块或多块金属在原子层面结合形成永久性连接的工艺过程。焊接过程涉及复杂的物理和化学变化，包括金属的熔化、凝固、相变以及应力和变形的产生等。因此，深入了解焊接过程的理论基础对于准确模拟焊接过程中的温度场和 应力分布至关重要。 焊接过程中，热源将能量传递给工件，导致工件局部快速升温并熔化。熔池形成后，随着热源的移动，熔池中的液态金属逐渐凝固形成焊缝。焊接热源的类型和移动速度、工件的材质和厚度等因素都会影响焊接过程的温度场分布。为了准确模拟这一过程，需要了解各种热源模型（如移动热源模型、体积热源模型等）及其适用范围，并选择合适的模型进行数值模拟。 焊接过程中产生的应力和变形也是研究的重点。焊接过程中，由于温度梯度和材料性能的变化，会在焊缝及其附近区域产生复杂的应力场。这些应力可能导致焊缝的开裂、工件的变形等问题。因此，需要了解

柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析

柴油机活塞温度场试验研究及有限元热分析 谢琰;席明智;刘晓丽 【摘要】对改进的ZH1105W型柴油机缩口四角ω燃烧系统,利用热电偶法实测 了标定工况下活塞顶面、侧面和内腔共16个特征点的温度.用Pro/E建立活塞几 何模型,选取热结构耦合单元,并对模型网格进行了优化,结合试验值对活塞进行热分析计算,得到活塞三维温度场、热应力场和变形.计算结果表明,在标定工况下,活塞最高温度出现在燃烧室喉部达到310.7℃,最大von Mises热应力出现在排气一侧的 回油孔顶部,为68.4 MPa,最大热变形量出现在活塞顶面边缘排气口侧,达到0.328 mm,这为活塞的结构改进和优化提供了依据. 【期刊名称】《柴油机设计与制造》 【年(卷),期】2012(018)003 【总页数】8页(P5-11,16) 【关键词】柴油机;活塞;有限元分析;温度场;热应力 【作者】谢琰;席明智;刘晓丽 【作者单位】长安汽车动力研究院,重庆400021;内蒙古工业大学能源与动力工程 学院,呼和浩特014010;渤海船舶职业技术学院,葫芦岛市125000 【正文语种】中文 活塞作为内燃机的关键零部件之一，其结构复杂，在工作过程中受到高温燃气的冲击，承受很高的热负荷。这使得活塞头部乃至整个活塞温度都很高，且分布不均匀，不同部位温度梯度大，并且产生很大的热应力和热变形，由此导致活塞运行过程中

出现拉缸、胶结、抱死，以至于活塞顶面开裂，直接影响到柴油机的性能，燃烧室的温度分布也影响到柴油机HC排放[1,2]。由于热应力是活塞总应力的主要来源，热膨胀变形在活塞总变形中占绝对主导地位，而机械负荷的作用仅使活塞边缘向内弯曲、抵消边缘向外的热膨胀变形，其贡献很小[3]。因此，本文对活塞的热负荷 进行研究，暂不考虑机械负荷的影响。 为了考察改进后的ZH1105W型柴油机缩口四角ω燃烧室活塞的热负荷状况，对其进行了温度场试验，实测了活塞顶面、侧面和内腔共16个特征点的工作温度。利用Pro/E软件建立了活塞的实体模型，通过Ansys软件进行了活塞温度场的三 维数值模拟计算分析。 2.1 试验发动机 试验以ZH1105W型柴油机为研究对象，该机采用缩口四角ω燃烧室活塞，燃烧室偏心为（3 mm，6 mm），其主要参数见表1。 2.2 试验方案 在活塞温度场的测试中，目前比较成熟的方法有易熔合金测温法、示温涂料测温法、硬度塞测温法和热电偶测温法等。易熔合金测温法和示温涂料测温法因其自身缺点，测量误差都较大。硬度塞测温法可测活塞多个点的温度，对活塞温度分布和强度的影响不大，但硬度塞淬火工艺处理不好，误差会很大。热电偶测温法测量活塞温度可靠性好，精度高、响应快、寿命长，可以方便地多点测试各种工况下的活塞温度。因此，本试验采用热电偶进行活塞温度场的测量[4,5]。 试验用的偶丝材料选用Φ0.2 mm的镍铬-镍硅丝。因银焊点质软，铆接时，能有 较好的密封作用，且导热导电性极好，故选用银头热电偶。偶丝的绝缘是通过外径小于Φ0.5 mm的耐高温绝缘套管来实现的。热电偶引出线要用耐高温胶固定于活塞内腔，以防松动。热电偶线安装在活塞及缸套底部的滑片式接触装置上，将热电偶引出发动机外和测量仪表连接。