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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

机就无法正常运转[1]。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

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[2]。

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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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

弹性模量

部件材料密度/(10-9t/mm3)泊松比

/MPa6mm/mmK/W/m2k

线膨胀系数/10-热导率

活塞头4Cr9Si27.852100000.31340

铝裙4A112.68790000.3321150

螺栓34CrNiMo67.852000000.31340

螺纹镶套

连杆体

42CrMoA7.852060000.3

1340

活塞销30Cr2MoV7.852040000.31340

2.3网格模型

该机活塞组的有限元模型见图2，其中螺栓、螺纹镶套及活塞销采用六面体单元，而其

它部件采用二阶四面体单元，整个模型共有365481个单元，586909个节点。

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图2.网格模型

2.4边界条件和连接关系

由于活塞组件中装配上了连杆小头，因此在边界条件的设置中可以约束连杆杆身截面的所有自由度，由于此端面距离活塞足够远，根据圣维南原理可知，边界的固定约束情况

对活塞应力状态的影响可以忽略，如图3所示[4]。另外，该模型是装配体，部件之间的接

触在Abaqus6.13软件中设置如下：

（1）活塞头与铝裙、铝裙与活塞销、活塞销与连杆小头之间设置为摩擦接触，小滑移，摩

擦系数为0.15；

（2）螺纹衬套与螺栓、螺栓与活塞头、螺纹衬套与铝裙均设置为TIE绑定；

图3.边界设置

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2.5载荷定义

（1）热载荷

发动机在工作过程中不断将燃料燃烧释放的热能转化为机械能，在此过程中活塞直接

与高温燃气接触，缸内燃气通过活塞顶面将热传给活塞头，然后热量通过冷却油腔和活塞环将热量传给其他冷却介质。根据周期瞬态温度波动理论，活塞顶面的温度沿活塞顶法线方向迅速衰减，而这个温度的波动只发生在活塞顶面1-2mm的表层，不对活塞的温度场产生较大影响，所以一般将活塞的温度场近似认为是稳态温度场[3]。

根据缸内工作工程的一维计算结果，可以得到额定工况下缸内的瞬时燃气温度和瞬时

燃气对流换热系数，如下图4和图5。

图4.缸内瞬时燃气温度

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图5.缸内瞬时燃气对流换热系数

在求解活塞的温度场时，采用的是一个工作循环内的活塞顶部的平均燃气温度和平均

换热系数，通过下式进行求取。

式中,为平均换热系数，为平均燃气温度，为瞬时换热系数，为瞬时燃气温

度。代入求得，平均换热系数为674W/(m^2K)，平均温度为784℃。缸内燃气和活塞

顶之间的对流换热系数在活塞顶的直径方向是逐渐变化的，其变化规律可参考修正的

Seal公式，如下：

当换热系数所在区域rN时，

当换热系数所在