某船用柴油機活塞組的設計與傳熱分析

張津源 王富維 金麗珠 樊永勝

摘要：活塞在工作時，受高溫燃氣作用，可能發生各種失效現象，直接影響發動機的可靠性和耐久性。選取某船用柴油機為研究對象，設計其活塞組，利用UG軟件進行三維建模，并利用ABAQUS軟件對其溫度場和熱應力進行研究和分析。結果表明：活塞最高溫度出現在燃燒室喉口部位，燃燒室底部存在較大的熱應力。分析結果可為活塞優化設計提供依據，并提出優化設計方案。

關鍵詞：柴油機;活塞;設計;傳熱分析

0 ?引言

作為柴油機五大重要零部件之一的活塞，工作條件惡劣?；钊诠ぷ髦谐惺苤芨叩臒嶝摵?，這主要是受缸內燃氣的作用，缸內的高溫燃氣通過對流傳熱和輻射傳熱將熱量傳遞給活塞，造成活塞頂面、燃燒室表面溫度高，同時活塞各個部位熱流密度的不同也造成了活塞各部分溫度分布不均[1]。活塞除具有足夠的強度、剛度外，還應具有耐熱性、良好的導熱性、小的膨脹系數等性能[2]。分析活塞的傳熱過程，可為柴油機活塞的優化設計奠定基礎[3]。

本文選取某船用六缸直列增壓水冷柴油機為研究對象，對活塞組結構尺寸進行設計，使用UG軟件對部件建立三維模型，同時利用ABAQUS軟件，采用三維有限元的方法計算標定工況下的活塞溫度場和熱應力。

1 ?活塞組的設計

研究對象為缸徑160mm的六缸直列柴油機，主要技術參數如表1所示。

1.1 活塞組結構的設計

材料選擇方面，根據性能要求，活塞材料選擇硅鋁合金ZL108，活塞銷材料選擇20Cr，活塞環材料選擇球墨鑄鐵。

活塞組結構設計的要求及主要措施：

①在設計時需要保證活塞具有足夠的厚度，以確保活塞在順利將頂部受到的負荷向下傳遞給連桿的同時，不出現明顯的疲勞失效現象。

②活塞整體溫度的分布和頂部熱流極易受其頭部截面的形狀影響。為使活塞頭部的溫度不至于過高，本文考慮適當增大頭部燃燒室的過渡圓角半徑，以適應頂部的熱流通路，從而使熱量能從頭部快速的導出。這樣在降溫的同時還能有效減少活塞頭部的應力集中現象[4]。

③本文6160柴油機選用四道活塞環的設計形式，其中三道為氣環，一道為油環。為減少環槽處的應力集中情況，在1～3道環槽底部設計了R0.3的過渡圓角，油環槽底部設計R0.5圓角。

④活塞銷座的設計要與活塞銷一同考慮。活塞銷在工作時受到來自氣缸的交變載荷作用，在設計時不僅要使其具有足夠的剛度，還要能承受適當的彎曲變形。因此，為了確?；钊N座與活塞銷之間的緊密配合，銷座需要在承受較大壓力的同時存在一定的彈性。本次設計選用在銷孔上方設置兩條支承筋的雙筋彈性銷座結構形式，支撐筋能為銷座提供額外的支撐，而支撐筋之間的凹穴能保證活塞銷座適應活塞銷的變形要求。另外將銷孔中心相對活塞銷座外圓向下偏心3～4mm，以加強銷座承壓強度。

⑤設計時常通過縮短連桿軸向長度的方法，使活塞連桿整體結構緊湊。但與此同時會產生活塞裙部與平衡塊或主軸承座圈相撞的問題，為了發動機能正常運轉，本次設計將裙部銑去兩塊，這樣在解決問題的同時，還可達到減輕活塞整體質量的目的[4]。

1.2 活塞組尺寸的確定

結合活塞組的結構要求，根據《柴油機設計手冊·上冊》[4]，對活塞組尺寸進行設計，并對設計結果做出理論校核，以確定其最終的尺寸參數，其主要尺寸見表2。

2 ?活塞仿真模型的建立與分析

2.1 有限元模型的建立

根據上述尺寸設計結果，運用UG軟件對活塞組進行三維建模?；钊S模型如圖1所示。

在活塞三維模型中存在的一些微小的特征，會在建立有限元模型時產生大量的節點和單元，本質上不會對結果產生明顯影響，但是會消耗大量的計算時間，同時伴隨而來的畸形網格，會影響計算的準確性。為減少活塞有限元運算的時間，并提高計算精度，本次選擇的分析模型在不影響活塞特性的基礎上，對其原有設計中的圓角、孔等特征進行簡化處理，采用ABAQUS軟件中的自帶模塊對活塞進行網格劃分。由于活塞本身存在大量曲面，故采用程序默認的四面體單元網格（C3D10MT），對重點分析的燃燒室與活塞環槽部分節點增加密度，所建立的活塞有限元網格模型如圖2所示，共有77869個節點，47326個單元。

2.2 活塞材料

本次設計中活塞材料選擇共晶硅鋁合金，密度2700kg/m3，導熱系數155 W/（m·K），彈性模量80000MPa，泊松比0.33，線膨脹系數21.0×10-6，比熱871 J/（kg·℃）。

2.3 確定邊界條件

分析活塞時選擇第三類邊界條件，即給定流體溫度和對流換熱系數求溫度。在確定邊界條件時，應綜合考慮各種因素，并通過經驗或半經驗公式計算換熱系數，活塞內腔各區域、活塞環區域及活塞裙部外側等的當量熱交換系數。一般需要通過實驗修正邊界條件，活塞溫度場的準確測量影響活塞熱負荷問題的分析，從而為活塞溫度分布及熱分析奠定基礎[5，6]。鑒于實驗條件的局限性，根據工程實踐經驗，并參考相關文獻資料[7-10]，活塞換熱邊界條件如表3所示。

2.4 活塞溫度場仿真結果與分析

在ABAQUS軟件中，根據活塞有限元網格模型和換熱邊界條件進行求解計算，得到活塞的溫度云圖。由圖3可知，活塞最高溫度為368℃，出現在燃燒室的喉口位置，活塞頂部和火力岸部分為高溫集中區域，活塞環槽溫度最高為215℃，第一道環上部溫度最高為250℃，活塞溫度從上至下逐漸降低。在設計時，活塞頂部最高溫度不允許高于400℃，環槽溫度不允許高于230℃，本次設計滿足要求。

2.5 活塞熱應力仿真結果與分析

結合活塞換熱邊界條件，使用ABAQUS軟件對活塞熱應力進行求解，其Mises應力分析結果見圖4。根據圖4可知，活塞最大熱應力為222MPa，位于活塞內腔上部，對應活塞頂最薄位置。同時第3～4道環槽底部存在較大的熱應力，其值約為92.9MPa。活塞內腔采用噴油冷卻形式，溫度較低，而燃燒室底部與第3、4道環槽本身溫度較高，又和內腔之間距離較近，故局部溫度梯度過大，這是本次設計活塞熱應力集中的主要原因。局部溫差在50～100℃之間，該值在材料設計允許范圍內。

3 ?活塞優化設計方案

綜合仿真分析結果可見，活塞燃燒室喉口溫度稍高，在設計時可以考慮加大燃燒室側面與活塞頂部夾角，從而減少在燃燒室喉口部位的熱積累。同時，這樣的設計可以進一步優化活塞的熱流通路，增加從活塞頂部到裙部的傳熱截面，從而將頭部熱流迅速傳出，實現活塞頭部溫度的降低。

為降低第一道環槽的溫度，保證氣環工作可靠，可以適當加大頂岸的高度，使第一道環遠離高溫區域。還可以在活塞內部合理布置冷卻油腔，達到有效隔斷熱流的目的，從而提高第一道環的冷卻效果。

考慮到活塞內腔頂部的熱應力集中現象，在保證活塞質量不會過重的前提下，可以適當增加活塞頂厚度，增加燃燒室低部與內腔之間的距離，使溫度變化更為緩和。同時，考慮到第3～4道環槽底部也存在熱應力集中，在設計時需要對鑲環座提出額外要求，鑲環座要求使用熱膨脹系數與鋁合金相近的材料，以避免環座在運行時，由于熱膨脹系數不同，導致熱應力過高，繼而發生龜裂、剝落情況。

4 ?結論

根據6160船用柴油機基本參數設計活塞組的基本尺寸，并利用ABAQUS軟件研究其活塞的溫度場和熱應力，得到如下結論：

①活塞溫度場的整體分布清晰可見，從活塞頭部到裙部，溫度呈下降趨勢，活塞中溫度最高（368℃）的區域在燃燒室喉口位置附近。

②活塞頭部的最大應力大小為222MPa，活塞第3～4道環槽底部也出現了較大應力值，其大小為92.9MPa，但未超過所選材料的強度極限。

③活塞熱應力由溫差所致，設計時可結合溫度場提出優化方案。

參考文獻：

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