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空压机热－机耦合分析

富奥汽车零部件股份有限公司张洪宝吉林长春130033

摘要：本文采用abaqus有限元软件对某空压机活塞总成进行分析，获得在静力，热作用下对活塞总成的综合影响，为优化

产品结构等提供有力依据。

关键词:热机耦合空压机活塞总成ABAQUS

一．引言

很多工程问题中涉及的问题并不是简单的结构分析和热分析，而是多种物理场的综合作用。如温度场和应力

场的耦合，流体场与结构场的耦合等，这样的多物理耦合分析中需要同时考虑各个物理场的作用效果以及相互之

间的影响。这样会得到更全面更准确的分析结果，所以多物理场的耦合分析有重大意义。

描述：对于所有多物理场耦合分析，难点在于收敛比较困难。要经过反复调试才能得到比较合理的计算结果。此

文采用热－机械耦合分析，模拟多物理场共同作用下对活塞影响。

二．活塞总成有限元分析

1.分析内容

热梯度，热流密度（热通量），温度分布

2.传热分析需要定义

?传热单元：热应力耦合单元C3D8RT。

?材料密度（Density）

?弹性模量（Modulusofelasticity）

?泊松比（Poisson‘sratio）

?热传导系数（Thenmalconductivity）

?比热容（SpecificHeat）

?膜系数（filmcoefficient）

?预定义场（predefinedfield）

热传导系数

两个零部件1和2，通过接触进行热传导，那他们之间的稳态换热量

Q=(T1-T2)/(b1×lamda1/s)

Q为换热量

T为温度

lamda为热传导系数（与温度有关）

b为厚度

s为接触面积

膜系数

定义：是衡量对流传热强弱程度的一个参数，是流体在单位时间内，在单位温度差推动下，经单位传热面积所

传递的热量。传热膜系数与传热面积乘积的倒数为对流传热的热阻，有亦以传热膜系数的倒数表征对流传热的热

阻。

转换公式

对流换热Q＝S0K0△tm

△tm＝(T1-T2)/ln（△t1/△t2）

预定义场

即为初场，计算刚开始时各部件的温度场

定义为20°C

3.固体参数

零件名称弹性模量（MPa）泊松比密度热传导系比热

Kg/m3W/m°CJ/kg°C

20°C100°C150°C200°C

活塞7E104.8E103E101.1E100.332700209837

连杆2.1E111.1E118E103E100.3780042480

轴瓦2.1E111.1E118E103E100.3780042480

4.流体参数

流体物质位置温度°C膜系数W/m2°C

油气混合气体缸体内活塞下方80101

三．计算结果

1.应力

2.应变

3.温度场

一循环周期内，局部位置温度上升较快，温度较高

4.截面变形情况

材料较多处变形较大（具体数值为给出）

5.模型内能变化曲线

6.动能曲线

初始运动动能较高；随着速度稳定，动能接近零

四．结论

可以通过热机耦合分析一次得到比较全面的信息。主要是对活塞椭圆度的分析有较大的指导意义。同时对冷

却水套等设计提供了参考依据。

参考文献

1肖永宁主编《内燃机热负荷和热强度》西安交通大学出版社1988

2成大先主编，机械设计手册[M]化学工业出版社，1993

3石亦平，周玉蓉。abaqus有限元分析实例详解。北京：机械工业出版社。2007.

4sehitoglu,H-Neu,R.(1989):ThermonechanicalFatigue,Oxidationandcreep:Partoneandtwo.Experiments,Metallurgical

Transations,20A,pp·1755-1767.

5LenoeWC.Disributionofpistolr-zoneheat.