搜索基于參數(shù)化有限元模型的活塞熱負(fù)荷仿真分析
2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
作者: 王虎*桂長(zhǎng)林 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 參數(shù) 有限元 活塞 故障仿真
應(yīng)用 COSMOS/ M 參數(shù)化有限元程序語(yǔ)言及 Delphi 面向?qū)ο蟾呒?jí)語(yǔ)言,建立了 490 型柴油機(jī)活塞的參數(shù)化三維有限元計(jì)算分析模型及其數(shù)據(jù)輸入輸出處理接口,對(duì)活塞溫度場(chǎng)及其影響因素進(jìn)行了定量分析,并在此基礎(chǔ)上,對(duì)490 型柴油機(jī)虛擬故障工況下的熱負(fù)荷進(jìn)行了模擬計(jì)算,為故障仿真提供一種方便高效的手段。
活塞是內(nèi)燃機(jī)中的重要零部件,工作過(guò)程中承受周期性的強(qiáng)烈熱負(fù)荷作用,工作條件極其惡劣,其性能的好壞直接影響整機(jī)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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等,則會(huì)出現(xiàn)局部溫度過(guò)高的現(xiàn)象,實(shí)踐證明,活塞長(zhǎng)時(shí)間在超負(fù)荷高溫下運(yùn)行,首先會(huì)引起材料強(qiáng)度降低,而材料強(qiáng)度的降低則意味著機(jī)件在長(zhǎng)期工作中會(huì)出現(xiàn)永久變形、斷裂以至局部發(fā)生燒傷,進(jìn)而導(dǎo)致整機(jī)的故障,大大影響了整機(jī)的可靠性、耐久性。近幾年來(lái),隨著內(nèi)燃機(jī)在強(qiáng)化程度和熱負(fù)荷水平上的大幅度提高,由于特殊工況,而導(dǎo)致的熱負(fù)荷問(wèn)題更加突出。如何正確模擬內(nèi)燃機(jī)的特殊工況,準(zhǔn)確計(jì)算活塞的溫度場(chǎng)是解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。
目前復(fù)雜零部件熱負(fù)荷分析中,大多采用有限元分析方法。由于活塞結(jié)構(gòu)及邊界條件復(fù)雜,所以在有限元計(jì)算中,任何參數(shù)的改變均會(huì)帶來(lái)不必要的重復(fù)工作。以 COSMOS/ M 有限元程序語(yǔ)言為基礎(chǔ),編制了活塞參數(shù)化有限元計(jì)算程序,并運(yùn)用 Delphi 語(yǔ)言編制了相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口,通過(guò)輸入?yún)?shù)值的變化來(lái)模擬冷卻不良及超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等特殊工況,進(jìn)而對(duì)活塞的溫度場(chǎng)和熱變形進(jìn)行計(jì)算分析,大大提高了多工況下活塞熱負(fù)荷分析的效率,為活塞的多工況熱負(fù)荷故障仿真提供了一種高效的分析方法。
1 基于活塞熱負(fù)荷的參數(shù)化三維有限元計(jì)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(yùn)算命令中引入?yún)?shù),通過(guò)參數(shù)實(shí)現(xiàn)與外界程序、數(shù)據(jù)庫(kù)的有效連接,擴(kuò)展了有限元計(jì)算程序的應(yīng)用范圍,使其具有更強(qiáng)的可擴(kuò)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(tái),成為復(fù)雜零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)分析的有力工具。參數(shù)化有限元程序語(yǔ)言主要由參數(shù)定義賦值語(yǔ)句、數(shù)學(xué)運(yùn)算操作語(yǔ)句、程序流程控制語(yǔ)句、參數(shù)化繪圖語(yǔ)句、物性參數(shù)設(shè)置語(yǔ)句、邊界條件設(shè)置語(yǔ)句、分析設(shè)置及執(zhí)行語(yǔ)句組成。運(yùn)用參數(shù)化有限元模型不僅能對(duì)具體尺寸的復(fù)雜零部件進(jìn)行數(shù)值分析,而且可以通過(guò)參數(shù)接口對(duì)某一結(jié)構(gòu)類型的零部件模型進(jìn)行變參數(shù)的數(shù)值計(jì)算。
由于參數(shù)的引入,在有限元模型的建立過(guò)程中,不但要考慮各參數(shù)化圖形元素之間的形位關(guān)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(shí)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(shè)計(jì)、程序編制的復(fù)雜性。
1. 2 參數(shù)及其輸入接口
根據(jù)活塞幾何結(jié)構(gòu)及邊界條件的特點(diǎn),將活塞熱負(fù)荷分析輸入?yún)?shù)歸結(jié)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(jī)活塞的結(jié)構(gòu)及工作運(yùn)行狀況,本次參數(shù)化有限元計(jì)算程序采用 1/4 幾何模型進(jìn)行計(jì)算,輸入?yún)?shù)如表 1。
根據(jù)活塞熱負(fù)荷分析中邊界條件附加的要求,將活塞的邊界分成 45 個(gè)區(qū)域,邊界條件分別由 45 個(gè)邊界參數(shù)值決定。邊界條件值可以通過(guò)第一類或第三類邊界條件的形式輸入。幾何參數(shù)設(shè)置時(shí)給出具體活塞尺寸為默認(rèn)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(fù)責(zé)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(yàn)后的參數(shù)值輸入有限元計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。
1. 3 參數(shù)化有限元計(jì)算程序及輸出接口
參數(shù)化有限元計(jì)算程序根據(jù)輸入的參數(shù)值,依次進(jìn)行物性參數(shù)設(shè)置、三維幾何建模、網(wǎng)格設(shè)置及自動(dòng)劃分、邊界條件附加、分析類型及輸出設(shè)置、執(zhí)行計(jì)算,計(jì)算流程如圖 2 所示。這一系列任務(wù)由各自模塊獨(dú)立完成,最終形成輸出結(jié)果文件。輸出處理程序依據(jù)計(jì)算目標(biāo)、輸入的參數(shù)值,通過(guò)對(duì)輸出結(jié)果文件的查詢,完成最終結(jié)果的輸出。在特殊工況下的活塞熱負(fù)荷分析是一個(gè)變參數(shù)的計(jì)算分析問(wèn)題,通過(guò)本計(jì)算程序邊界條件的輸入接口,輸入相應(yīng)工況下的邊界條件,便能實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞熱負(fù)荷的計(jì)算分析,避免了對(duì)活塞復(fù)雜模型的操作和處理過(guò)程,既減少了人為干預(yù)的錯(cuò)誤,又大大提高了分析效率。
2 邊界條件的模擬應(yīng)用
活塞熱負(fù)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(gè)區(qū)域。以 490 型柴油機(jī)標(biāo)定工況下的示功圖為基礎(chǔ),計(jì)算出各邊界區(qū)域的平均邊界值,然后依據(jù)內(nèi)燃機(jī)熱負(fù)荷及傳熱理論、活塞結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)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(duì)活塞的溫度場(chǎng)、熱變形產(chǎn)生顯著影響。
2. 1 運(yùn)行工況對(duì)活塞頂面與燃?xì)鈸Q熱系數(shù)的影響
運(yùn)行工況主要指內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)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(nèi)燃?xì)饷芏燃哟?溫度升高,造成對(duì)流及輻射換熱增強(qiáng);轉(zhuǎn)速 n 值增大,則使缸內(nèi)氣流擾動(dòng)加大,對(duì)流換熱增強(qiáng)?？傊?高速高負(fù)荷工況是對(duì)流及輻射換熱的嚴(yán)重工況,依據(jù)缸內(nèi)傳熱 Woschni 公式,對(duì)不同速度和負(fù)荷下總體換熱系數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算。
2. 2 冷卻水與壁面間對(duì)流換熱的影響因素
在水冷發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁的冷卻水一側(cè),對(duì)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(zhì)。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(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)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(cè)面綜合放熱系數(shù)多層熱阻疊加原理,計(jì)算并分析了冷卻水對(duì)流換熱系數(shù)及水溫變化對(duì)整體活塞溫度分布及熱變形的影響。
3 結(jié)果與分析
3. 1 標(biāo)定工況下的活塞溫度場(chǎng)和熱變形
490 型柴油機(jī)在標(biāo)定工況(3 000 r/ min,滿負(fù)荷)下正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),燃燒室燃?xì)馄骄鶞囟葹?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(jié)果如圖 3 所示。
由圖 3 可以看出,標(biāo)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(xiāo)軸垂直面上,裙部最大徑向位移為 0. 193 6 mm,發(fā)生在銷(xiāo)軸上部。
3. 2 高速高負(fù)荷下的活塞溫度場(chǎng)和熱變形
在高速高負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機(jī),燃?xì)鉁囟取⒒钊斆娴膿Q熱系數(shù)均有相應(yīng)的提高。依據(jù)不同負(fù)荷下的運(yùn)轉(zhuǎn)工況,分別按表 2 所示熱邊界條件進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖 4,5,6。從圖中可看出,隨著 490 型柴油機(jī)運(yùn)行速度和負(fù)荷的增加,整體活塞的溫度和熱變形增加明顯。圖 6 為熱負(fù)荷最嚴(yán)重的第 4 種工況,此時(shí)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。
3. 3 冷卻不良下的活塞溫度場(chǎng)和熱變形
由于冷卻水內(nèi)腔表面特性的改變和局部冷卻水流速的變化,勢(shì)必對(duì)冷卻水的對(duì)流換熱產(chǎn)生影響,進(jìn)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(duì)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(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖 7,8。
從圖 7,8 可以看出,當(dāng)冷卻水對(duì)流換熱系數(shù)減小時(shí),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(dāng)冷卻水對(duì)流換熱系數(shù)減少到 1840 W/ m2 ℃,活塞最高溫度已達(dá)到 296. 92 ℃,頂環(huán)槽最高溫度也達(dá)到 263. 17 ℃。如在此工況下運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng),必將造成整機(jī)可靠性下降,甚至導(dǎo)致整機(jī)故障出現(xiàn)。
4 結(jié)論
(1)運(yùn)用 COSMOS/ M 參數(shù)化有限元程序語(yǔ)言及 Delphi 語(yǔ)言,編制了活塞參數(shù)化有限元計(jì)算程序及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口,為活塞變參數(shù)值的熱負(fù)荷定量分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力工具,并對(duì) 490 型柴油機(jī)特殊工況下的熱負(fù)荷進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。
(2)通過(guò)計(jì)算可以看出,在高速高負(fù)荷及冷卻不良的特殊工況下,490 型柴油機(jī)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(guò)活塞正常運(yùn)行的峰值,大大降低了內(nèi)燃機(jī)整機(jī)的可靠性,這恰恰也是部分 490 型柴油機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中,長(zhǎng)時(shí)間高速超負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)而導(dǎo)致活塞系統(tǒng)產(chǎn)生潤(rùn)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(shí)一方面說(shuō)明 490 型柴油機(jī)活塞不易在高速高負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng),同時(shí)也表明了冷卻水系統(tǒng)對(duì)于水冷柴油機(jī)活塞保持正常運(yùn)行狀態(tài)的重要性。
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