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某船用柴油机活塞热机耦合计算

颜峰,贺文彬

中船动力研究院有限公司

摘要:本文开展活塞组的仿真计算，研究其温度场、位移及应力场，分析评价相关部件是否

满足设计要求，掌握原机部件的设计特点，为进一步的改进设计奠定理论基础。

关键词:活塞，热机耦合，应力，有限元

1.简介

船用柴油机的活塞组包括活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们

是活塞式发动机中工作条件最严酷的组件。发动机的工作可靠性与使用耐久性在很大程度

上与活塞组的工作情况有关。活塞组件与气缸一起保证发动机工质的可靠密封，否则发动

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机就无法正常运转。活塞组零件工作情况的共同特点是工作温度很高，并在很高的机械

负荷下高速滑动，同时润滑不良，这决定了它们遭受强烈的磨损，并且可能产生滑动表面

的拉毛、烧伤等故障。在大功率船用柴油机中，活塞组的热负荷往往限制了发动机的强化

[2]

潜力。由此可见，需要对活塞组件加以理论分析研究，以提高其工作可靠性和耐久性。

本文主要采用序贯耦合的方法进行，首先根据柴油机缸内工作过程的一维计算结果，

并结合经验半经验公式，利用第三类边界条件仿真得到活塞的温度场，然后将温度场的结

果作为初始的温度边界条件导入静力学计算模型中，再添加各机械力进行耦合计算。重点

考察活塞组件在气体作用力、缸内温度载荷、往复惯性力、螺栓装配载荷影响下的热力学-

机械耦合作用下的温度、应力及位移等，关注主要部件是否满足设计要求。

2.有限元模型建立

2.1三维模型

活塞组主要有活塞头、铝裙、螺栓、螺纹镶套、活塞销等部件，为了准确模拟活塞销

处的应力情况，在原活塞组模型中加入了部分连杆组件模型，以方便添加位移边界条件，

如图1。

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1

图1.三维模型

2.2材料参数

活塞连杆组件的相关材料参数见下表1。

表1.材料参数

-93弹性模量线膨胀系数/10-热导率

部件材料密度/(10t/mm)泊松比62

/MPamm/mmK/W/mk

1340

活塞头4Cr9Si27.852100000.3

21150

铝裙4A112.68790000.33

1340

螺栓34CrNiMo67.852000000.3

螺纹镶套1340

42CrMoA7.852060000.3

连杆体

活塞销30Cr2MoV7.852040000.3134