船用大功率柴油机组合式活塞热结构耦合分析及温度场预测

通过建立柴油机组合式活塞的3D有限元模型,以文献中相似机型的实测缸套温度为温度边界条件,根据相应经验公式取得各换热区的对流换热系数,对新设计的组合式活塞进行了温度场预测;基于温度场计算结果及活塞所受结构应力,对该活塞进行了热-结构耦合强度及疲劳寿命分析。分析结果表明：该活塞设计较合理,整体安全系数均大于1.5。     

考虑活塞环组动力学的船用大功率柴油机组合式活塞温度场预测

通过建立柴油机组合式活塞的3D有限元模型,以文献中参考机型的实测缸套温度为温度边界条件,根据相应经验公式取得各换热区的对流传热系数,对新设计船用大功率柴油机组合式活塞进行温度场预测,并将计算所得到的温度场与参考机型实测温度场进行对比。为使得仿真计算更接近实际情况,考虑了活塞环组运动对传热系数的影响。计算结果表明:所得的温度场与相似机型实测温度场分布规律类似,可以为新设计发动机的热负荷试验提供指导。     

柴油机活塞温度场和耦合应力计算

采用AVL BOOST软件对活塞的工作过程进行计算,得到了活塞的换热边界条件和最高燃烧压力;在此基础上,采用ANSYS有限元软件对组合式活塞有无冷却时的温度场和耦合应力及变形进行了分析计算;另外对活塞的连接螺栓进行了应力强度考核。     

柴油机气缸盖温度场数值模拟

采用有限元方法进行柴油发动机气缸盖的换热分析,详细考虑各种因素对气缸盖的影响,得出较为准确的温度分布。分析模型准确,简化较小;换热边界条件考虑详细,并用实测温度值反复修正计算边界条件,得出的温度场与试验测值误差小于3.5%。故本次温度场计算结果可为该机型的热评估及进一步强化提供参考。     

12V400型柴油机整体球墨铸铁活塞的研究

整体球墨铸铁活塞是一种新型活塞。为了设计合理及缩短试制时间,我们用有限单元法对活塞的温度场、热流量分配及应力场进行了计算。本文介绍的计算方法是三角形剖分和二次插值,其精度较三角形线性插值为高,热边界条件可以输入第一类边界条件或第三类边界条件,也可以输入第一类及第三类的混合边界条件。可以节省计算时间,也减少了数据的准备及处理的工作量。本文还介绍了计算活塞时热边界条件的处理;及活塞振荡冷却腔冷却条件、活塞内腔冷却条件、冷却油温度、活塞材料导热系数和活塞顶部厚度等因素变化时,活塞温度场或应力场变化规律的探索。为设计、生产和运转提供了一定的资料。在12V400型柴油机的研究工作中,我们设计了一种整体球墨铸铁活塞。为了尽可能达到等强度、结构尺寸合理和重量轻等要求,采用高精度元有限单元法对活塞顶部的温度场及应力场进行了计算。计算中变换了各种热边界条件和一些结构参数,使计算结果比较符合实际情况;同时摸索热边界条件变化时对活塞温度场的影响,以便为优化设计探求规律及减少今后的试验工作量。由于对燃气侧的热边界条件所做的工作比较少,因此本文侧重点是活塞冷却侧热边界条件变化时对温度场影响的研究。     

缸套瞬态温度场的有限元分析

本文提供了计算二维温度场的通用方法,即瞬态温度场的非线性有限元解法.首先,以实测的温度确定缸壁与燃气的接触边界条件,计算出稳定温度场.以稳定温度场做初始条件,考虑活塞运动情况,利用所确定的放热系数确定缸套与燃气的接触边界条件计算了铸铁缸套的瞬态温度场,给出了缸套表面层的温度波动情况.     

柴油机活塞热负荷研究

实测了标定功率工况下活塞表面特征测点的温度值,利用有限元分析软件,并结合活塞传热稳态边界条件,计算了该活塞的稳态温度场。结果表明：标定功率工况下,该柴油机活塞头部表面最高工作温度达354℃,一环槽和一环岸的温度在260～30℃之间,不利于活塞环正常工作。     

直接耦合法模拟计算活塞温度场

内燃机活塞处在复杂的受热状态,确定各部分换热边界条件成为活塞温度场研究的难点和重点.直接流热耦合法将活塞及与其相互作用同体和流体部分作为一个整体进行研究,将难以确定的外部边界条件转化为内边界,通过能量守恒的方法在固-液交界面上自动完成热量交换.使用CFD软件STAR-CD利用建立的活塞组、机体和冷却水套组成耦合模型,采用直接流热耦合方法计算了某汽油机活塞温度场,计算结果和实验值吻合得较好.     

250型柴油机活塞热负荷特性分析

本文通过确定活塞关键部位的换热系数和温度边界条件,计算得出250型柴油机活塞的温度场,活塞的最高温度为384℃在钢顶喉口部位,并与活塞实测平均温度比较,温度相吻合。并计算和分析了在该温度负荷下的活塞热应力和热变形情况,最大热应力为246MPa在钢顶拱顶部位,径向最大热变形在钢顶顶面边缘部位,变形量为0.49mm。     

C6190ZL C-A柴油机活塞温度场有限元分析

活塞是柴油机的重要组成部件,承受着很高的热负荷,活塞的温度场可以直观的展现活塞温度及其热流分布,为活塞的设计和优化指明方向。本文利用Pro/ENGINEER4.0进行建模,结合Ansys11.0对C6190ZLC-A柴油机活塞温度场进行了分析。对柴油机活塞边界条件进行了研究。通过有限元分析,得出了活塞温度的分布情况,并与测量值进行了比较,得出计算的结果符合活塞实际温度的分布。     

Thermal analysis on piston of marine diesel engine

In this paper, an inverse heat transfer method is employed to conduct thermal numerical analysis on a 4-ring articulated piston of marine diesel engine. The secondary motion of piston and piston ring, and the lubrication oil film has been considered in estimating the coefficient of heat transfer values. Specially manufactured metal plugs were installed in the head of an articulated piston and the piston skirt to measure the temperature distribution of them. A Series of thermal couples were used for cylinder temperature measurement. The boundary condition for numerical simulation is verified with experiment result and applied to predict the temperature distribution of a new piston design which had small change of piston head profile and one less ring scheme. Reasonable agreement was obtained between prediction and experiment for the new design. Experiment result showed increase of temperature in low-temperature area and decrease of maximum value in high-temperature area. The thermal load of the top ring for new piston was lower than old one. The new design had some potential of intensifying improvement from the view point of piston thermal load.     

用耦合分析法解决内燃机活塞传热问题

内燃机活塞处于复杂的受热状态：被缸内燃气的瞬时加热和冷却；活塞组与气缸套的动接触传热；冷却油腔及油束的对流换热等。确定上述各部分换热的边界条件成为活塞传热研究的重点和难点。本文采用耦合分析的方法将活塞及与其相互作用的各个部件作为一个整体进行研究，由此确定活塞各边界上的边界条件。并以110型柴油机活塞为实例，应用上述方法确定边界条件，对活塞进行三维有限元计算，计算结果同实验值良好吻合。     

基于协同仿真环境的活塞三维耦合场分析与结构改进设计

基于ANSYS Workbench11.0协同仿真环境,运用第3类热边界条件与间接耦合分析方法,完成了某大功率150型柴油机活塞的热机耦合分析。分析发现,活塞销孔处综合应力偏高,在此基础上改进了活塞销孔结构,并采用DOE（Design of Experiments）优化设计方法对改进结构进行了尺寸优化设计,优化后活塞销孔部位应力降低22.6%。     

某船用柴油机活塞件疲劳寿命预测及损伤演化分析

针对船用柴油机活塞在运行实际工况下出现活塞烧顶、活塞顶开裂等问题，本文运用有限元软件对船用柴油机活塞进行热机耦合仿真，模拟在周期性爆发压力、惯性力、热应力耦合作用下的活塞受力情况。利用Miner准则对其进行疲劳寿命预测，采用Aeran理论对活塞机械负荷、热负荷以及热机耦合三种边界条件下进行损伤演化分析，建立了活塞不同载荷条件下的加速寿命模型，确定了活塞循环次数与其损伤演化之间的关系。     

一种改进的活塞燃气侧换热边界修正方法

提出了一种活塞燃气侧换热边界修正方法。在传统经验公式基础上,该方法基于能量守恒定律修正活塞燃气侧换热边界,并以某柴油机活塞为例进行了验证。结果表明:该方法计算的活塞燃气侧换热边界比传统公式法精确,比三维燃烧过程仿真分析获得换热边界的方法高效,适用于柴油机设计阶段活塞温度场快速评估。     

大功率中速柴油机活塞镶圈断裂的有限元分析

大功率中速柴油机磨损的活塞镶装镶圈是一种有效的修复方法。为消除某中速柴油机活塞镶圈在热负荷状态下产生应力集中而发生断裂现象,采用ANSYS有限元分析软件对该合金钢活塞镶圈进行有限元分析。计算时把温度场和热变形作为结构应力计算的边界,获取活塞镶圈在热负荷状态下的综合应力场。结果表明在活塞镶圈的固定销孔处产生了较大的应力集中。固定销孔结构的不合理是导致活塞镶圈断裂的主要因素之一。     

Visualization of auto-ignition and pressure wave during knocking in a hydrogen spark-ignition engine

Visualizations of auto-ignition inside the end-gas region due to flame propagation and pressure waves that occur during knocking were carried out in a hydrogen spark-ignition engine using a high-speed camera. Our results demonstrated that auto-ignition in an end-gas region that was compressed by the propagating flame front could be visualized using the high-speed color camera. A large amount of unburned mixture caused by the auto-ignited kernel explosion generated the strong pressure waves. Strong pressure wave oscillations induced by the initial auto-ignition could be visualized using a video camera with a speed of 250 kframes/s. The auto-ignition and pressure waves caused the thermal boundary layer to breakdown near the cylinder wall and piston head, therefore combustion of the lubricant oil grease was visible inside burned gas region. This auto-ignition and pressure waves may result in damage to the cylinder wall and piston head during engine knocking.     

汽油机活塞热力耦合强度分析

采用活塞、活塞销和连杆组合的三维模型对活塞三维温度场进行分析。并以此为基础,对活塞进行机械负荷和热负荷耦合分析,计算了活塞耦合应力场。全面了解活塞热负荷和机械负荷下的活塞强度,并与单纯机械负荷下的活塞进行对比,分析温度对活塞应力分布的影响,为活塞改进设计提供参考。     

柴油机活塞热应力轴对称边界元数值分析

本在推出轴对称热应力问题的边界积分方程的基础上采用２次等参插值函数将边界积分方程离散为边界元方程，进一步运用开发的程序分析了某１３５柴油机活塞的热应力场，分析结果表明边界元法在动力机械零部件热应力问题的分析中，与其它数值方法相比，具有计算精度高，数据准备简单和计算时间少等独特的优点。