第23卷第3期 合肥工业大学学报(自然科学版 2000年6月 JOURNAL OF HEFEIUN NERSTY OF TECHNOLOGY Jun 2000 195柴油机气缸套温度场的三维有限元分析 王希珍,周军,刘一鸣 (合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009) 摘要文章利用一套三维有限元计算程序,探讨了气缸套温度场数学模型、边界条件计算以及有限元分析的几何模型。针 对195柴油机气缸套,进行了比较复杂的边界条件计算,建立了较为完整的数学模型和几何模型。在此基础上对其温度场进 行了三维有限元计算分析。最后,依据三维有限元的计算结果对195柴油机气缸套的设计合理性进行了一些探讨。 关键词气缸套,有限元温度场 中图分类号TK4232文献标识码A文章编号:1003-5060(20003-0371-05 Ana lysis of tem pera ture field for the cylinde liner of 195 d iesel engine by using 3-d im en sional FEM WANG XIZhen. Zhou Jun. LU Yim (School of M echan ical and A utom obile Eng ineering, Hefei U niversity of Techno bgy, Hefei 230009, China) Abstract The tem perature field of a 3-dm enspnal Fe model for the cy linder liner of 195 diesel engine is calculated by using the com putation p rogram of 3-dmensonal FEM. w ith the com p licated boundary condit n considered, th is paper p resents the com paratively perfect m athem at ic model and geom etric model Based on the calcu lated results, the reasonableness of the design of the cy linder liner is Key words: cylinder liner; FEM, tem perature field 柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间,并为活塞起导向作用。燃烧过程中的最高温度可达 2500℃左右,因气缸套的内壁直接受到高温高压燃气作用,而它的外侧又被冷却水包围。在内外壁如此 大的温差下,气缸套将会产生相当大的热应力及热变形。而气缸套又是一薄壁圆筒形零件,热应力及热 变形都需要控制在一定的范围内,否则,缸套的不正常变形将破坏活塞与缸套间的正常间隙,导致工作 过程的恶化。 对于气缸套传热问题的研究,不仅局限于改善柴油机工作循环的热效率,从结构设计和运行可靠性 方面来看,也具有重要意义。因为气缸套所传出的热量及其冷却措施决定了气缸套内壁的温度水平和温 度场。前者对润滑、磨损、活塞间隙起决定作用,后者决定了气缸套的热应力大小。 本文研究气缸套受热后的状况,利用有限元程序计算缸套温度场的分布情况,通过温度场分布情 况,可以得知缸套的最高温度及其最高温度点所在位置,可为缸套的设计和检验提供科学依据,并为缸 收稿日期199906-16;修改日期2001-07 作者简介:王希珍(1975-),女,合肥工业大学硕士生 201994-2009chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
收稿日期: 1999206216; 修改日期: 2000201207 作者简介: 王希珍(1975- ) , 女, 合肥工业大学硕士生. 第 23 卷第 3 期 合 肥 工 业 大 学 学 报(自然科学版) V o l. 23№3 2000 年 6 月 JOU RNAL O F H EFE IUN IV ERSIT Y O F TECHNOLO GY Jun. 2000 195 柴油机气缸套温度场的三维有限元分析 王希珍, 周 军, 刘一鸣 (合肥工业大学 机械与汽车工程学院, 安徽 合肥 230009) 摘 要: 文章利用一套三维有限元计算程序, 探讨了气缸套温度场数学模型、边界条件计算以及有限元分析的几何模型。针 对 195 柴油机气缸套, 进行了比较复杂的边界条件计算, 建立了较为完整的数学模型和几何模型。在此基础上对其温度场进 行了三维有限元计算分析。最后, 依据三维有限元的计算结果对 195 柴油机气缸套的设计合理性进行了一些探讨。 关键词: 气缸套; 有限元; 温度场 中图分类号: TK423. 2 文献标识码:A 文章编号: 100325060 (2000) 0320371205 Analysis of tem perature f ield for the cylinder liner of 195 diesel eng ine by using 3-dim en sional FEM WAN G X i2zhen, ZHOU Jun, L IU Yi2m ing (Schoo l of M echanical and A utomobile Engineering, HefeiU niversity of Techno logy, Hefei 230009, Ch ina) Abstract: The temperatu re field of a 32dim en sional FE model fo r the cylinder liner of 195 diesel engine is calcu lated by u sing the compu tation p rogram of 32dim en sional FEM. W ith the comp licated boundary condition con sidered, th is paper p resen ts the comparatively perfect m athem atic model and geom etric model. Based on the calcu lated resu lts, the reasonab leness of the design of the cylinder liner is discu ssed. Key words: cylinder liner; FEM ; temperatu re field 柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间, 并为活塞起导向作用。燃烧过程中的最高温度可达 2 500°C 左右, 因气缸套的内壁直接受到高温高压燃气作用, 而它的外侧又被冷却水包围。在内外壁如此 大的温差下, 气缸套将会产生相当大的热应力及热变形。而气缸套又是一薄壁圆筒形零件, 热应力及热 变形都需要控制在一定的范围内, 否则, 缸套的不正常变形将破坏活塞与缸套间的正常间隙, 导致工作 过程的恶化。 对于气缸套传热问题的研究, 不仅局限于改善柴油机工作循环的热效率, 从结构设计和运行可靠性 方面来看, 也具有重要意义。因为气缸套所传出的热量及其冷却措施决定了气缸套内壁的温度水平和温 度场。前者对润滑、磨损、活塞间隙起决定作用; 后者决定了气缸套的热应力大小。 本文研究气缸套受热后的状况, 利用有限元程序计算缸套温度场的分布情况, 通过温度场分布情 况, 可以得知缸套的最高温度及其最高温度点所在位置, 可为缸套的设计和检验提供科学依据; 并为缸
372 合肥工业大学学报(自然科学版)2000年第23卷第3期 套的应力分析提供必要数据 导热微分方程及边界条件 在一般三维问题中,稳态温度场qx,y,=)在直角坐标系中应满足的微分方程是 在Ω内应满足的边界条件是 在r1边界上 在r2边界上 ka".+Mb+k2n=b(g·甲在r边界上 式中 材料密度 分别是材料沿x、y、z方向的热传导系数 Q=Q(x,y,z)—物体内部的热源密度 nx、m、n:—边界外法线的方向余弦 q卯r)—边界上的给定温度,称为第一类边界条件 q=q(r)——边界上的给定热流量,称为第二类边界条件 h——放热系数,Wh2K φ=g(r)在自然对流条件下,是外界环境温度,在强迫对流条件,q是边界层的绝热温度,称为 第三类边界条件 在本文中主要采用的是第一类边界条件和第三类边界条件,即温度边界条件和对流边界条件。其中 燃气侧冷却水侧及机架侧采用第三类边界条件,缸套下部采用的是第一类边界条件。 2气缸内放热系数及缸套换热系数的确定 21气缸内放热系数∝的确定 缸内传热过程极其复杂,各种传热现象(如导热、对流、辐射)的耦合作用造成理论分析和实验观测 都困难,许多机理问题至今未能解决。一般情况下,工质传向气缸壁的热量可以视为辐射和对流的综合 过程,并以对流为主,但是不能略去辐射部分的影响。对于一个循环内的热流量,辐射换热量还不到全部 换热量的10%,因此,可将辐射换热计入对流换热一项来考虑,这样,经过气缸表面每单位面积所导入 的热流量由牛顿冷却公式得21 C‰(Tms-Tw) 式中q—气缸内各受热表面单位面积在一个循环内所导出的热流密度 燃气到壁面一个循环内的平均换热系数 T——燃气在一个循环内的综合平均温度 燃烧室壁面的平均温度 对流换热系数在文献[3]中介绍了20种计算公式,本文采用修正埃肖尔伯格公式,得 Cm· PT (Wn2K) 式中Cm—活塞平均速度,m/s P—缸内气体压力,bar T—缸内气体温度,K 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
套的应力分析提供必要数据。 1 导热微分方程及边界条件 在一般三维问题中, 稳态温度场 Υ(x , y , z) 在直角坐标系中应满足的微分方程是 [1 ] 5 5x kx 5Υ 5x + 5 5y ky 5Υ 5y + 5 5z kz 5Υ 5z + ΘQ = 0 在 8 内应满足的边界条件是 Υ= Υ 在 # 1 边界上 kx 5Υ 5x nx + ky 5Υ 5y ny + kz 5Υ 5z nz = q 在 # 2 边界上 kx 5Υ 5x nx + ky 5Υ 5y ny + kz 5Υ 5z nz = h (Υa - Υ) 在 # 3 边界上 式中 Θ—— 材料密度 kx、ky、kz —— 分别是材料沿 x、y、z 方向的热传导系数 Q = Q (x , y , z) —— 物体内部的热源密度 nx、ny、nz —— 边界外法线的方向余弦 Υ= Υ(# ) —— 边界上的给定温度, 称为第一类边界条件 q = q (# ) —— 边界上的给定热流量, 称为第二类边界条件 h—— 放热系数,W öm 2K Υ = Υa (# ) 在自然对流条件下, Υa 是外界环境温度; 在强迫对流条件, Υa 是边界层的绝热温度; 称为 第三类边界条件。 在本文中主要采用的是第一类边界条件和第三类边界条件, 即温度边界条件和对流边界条件。其中 燃气侧、冷却水侧及机架侧采用第三类边界条件, 缸套下部采用的是第一类边界条件。 2 气缸内放热系数及缸套换热系数的确定 2. 1 气缸内放热系数 Α的确定 缸内传热过程极其复杂, 各种传热现象(如导热、对流、辐射) 的耦合作用造成理论分析和实验观测 都困难, 许多机理问题至今未能解决。一般情况下, 工质传向气缸壁的热量可以视为辐射和对流的综合 过程, 并以对流为主, 但是不能略去辐射部分的影响。对于一个循环内的热流量, 辐射换热量还不到全部 换热量的 10% , 因此, 可将辐射换热计入对流换热一项来考虑, 这样, 经过气缸表面每单位面积所导入 的热流量由牛顿冷却公式得 [2 ] q = Αm (T res - T w ) (1) 式中 q—— 气缸内各受热表面单位面积在一个循环内所导出的热流密度 Αm —— 燃气到壁面一个循环内的平均换热系数 T res—— 燃气在一个循环内的综合平均温度 T w ——燃烧室壁面的平均温度 对流换热系数在文献[ 3 ]中介绍了 20 种计算公式, 本文采用修正埃肖尔伯格公式, 得 Α= 1. 95 3 Cm õ P T (W öm 2õ K) (2) 式中 Cm —— 活塞平均速度,mös P —— 缸内气体压力, ba r T —— 缸内气体温度, K 372 合肥工业大学学报(自然科学版) 2000 年第 23 卷第 3 期
第3期 王希珍,等:195柴油机气缸套温度场的三维有限元分析373 平均放热系数可以对一个工作循环内的瞬态放热系数积分求得 五r 式中T—一个循环开始到某瞬间的时间 T—一个循环时间 22缸套换热系数的分布 内燃机组成燃烧空间的内壁面均承受来自燃气的直接传热(对流传热、辐射传热)。在时间上看,它 们与燃气之间的直接换热现象不尽相同。在一个循环中,气缸体表面与燃气接触时刻和时间间隔是不同 的,受热表面越靠近气缸上部与燃气接触的时间越长,受燃气直接传热的影响越大,或者说受活塞覆盖 的时间越短。位于活塞下止点时相应第一环位置以下的壁面,在整个工作循环内始终被活塞覆盖,没有 受到燃气直接传热。气缸体内表面还接受部分活塞侧面的散热,同时活塞往复运动时同气缸体的摩擦也 产生一定的热量,所以对于行程高度范围内任一位置的缸壁内表面总受热量包含如下3个部分:①燃 气以对流、辐射的方式直接传入热量②燃气通过活塞侧面传入热量,③活塞与缸壁摩擦传入热量的 部分。 当S/(行程/缸径)发生变化时,缸体内表面稳态传热边界条件相对值的分布形态才发生相应改 变,因为当S增大时,燃气传给活塞、缸盖的热量减少,即传入气缸体的热量相对增加。 柴油机缸体内表面稳态传热边界条件轴向高度上有如下分布规律4 &(h)=a(0)·(1+kB·e"7 (4) Tms(h)=T(0)·(1+k2)·e「 其中:B=h/(0≤B≤1)k=0537/);,k2=145k α(0),Tπε(0)分别对应柴油机工作循环中燃气的平均换热系数a和平均温度Tm。 实际情况中,由于进排气门的影响,在同一轴向高度各处的换热系数也应有所不同,但由于差异较 小,因而在本文中忽略了周向差别。 3缸套温度场边界条件的确定 31燃气侧边界条件 根据式(4)和式(5)可以求得轴向距气缸顶部h(0≤h≤S)范围内各h下的缸内温度和换热系数。 因为在活塞下止点,活塞顶以下部分不与燃气接触,换热量小得多,因此仅取其以上部分进行研究。 32缸套与机架间的换热系数 缸套与杋架间的换热系数由缸套与机架间的接触热阻决定。接触热阻的分析计算相当复杂,实验硏 究也很少提供实用可靠的计算公式,接触热阻值取决于材料性质、接触面光洁度和表面压力。对于接触 热阻的分析计算,因为目前尚缺乏满意的计算公式,本例主要按照参考文献中的实例选取。凸肩顶面缸 套下端面,由于面积较小,热交换弱,作绝热处理5。 33冷却水与缸套外侧的放热系数a和冷却水温的确定 冷却水侧的放热系数可按传热学公式计算,在本例中按实际情况选为3000W/m2·K),冷却水温 定为363K。 其他诸如缸套下端等离高温气体较远,对气缸套热负荷影响较小,故本例中将其视为固定温度。 机架温度T1可由实测或下式决定 (6) 201994-2009chinaAcademiejOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
平均放热系数可以对一个工作循环内的瞬态放热系数积分求得 Αm 1 Σ0∫ Σ0 0 ΑdΣ (3) 式中 Σ—— 一个循环开始到某瞬间的时间 Σ0—— 一个循环时间 2. 2 缸套换热系数的分布 内燃机组成燃烧空间的内壁面均承受来自燃气的直接传热(对流传热、辐射传热)。在时间上看, 它 们与燃气之间的直接换热现象不尽相同。在一个循环中, 气缸体表面与燃气接触时刻和时间间隔是不同 的, 受热表面越靠近气缸上部与燃气接触的时间越长, 受燃气直接传热的影响越大, 或者说受活塞覆盖 的时间越短。位于活塞下止点时相应第一环位置以下的壁面, 在整个工作循环内始终被活塞覆盖, 没有 受到燃气直接传热。气缸体内表面还接受部分活塞侧面的散热, 同时活塞往复运动时同气缸体的摩擦也 产生一定的热量, 所以对于行程高度范围内任一位置的缸壁内表面总受热量包含如下 3 个部分: ① 燃 气以对流、辐射的方式直接传入热量; ② 燃气通过活塞侧面传入热量; ③ 活塞与缸壁摩擦传入热量的 部分。 当S öD (行程 ö缸径) 发生变化时, 缸体内表面稳态传热边界条件相对值的分布形态才发生相应改 变, 因为当S öD 增大时, 燃气传给活塞、缸盖的热量减少, 即传入气缸体的热量相对增加。 柴油机缸体内表面稳态传热边界条件轴向高度上有如下分布规律 [4 ] Αm (h) = Αm (0) õ (1 + k 1Β) õ e - Β 3 (4) T res (h) = T res (0) õ (1 + k 2) õ e - Β (5) 其中: Β= höS (0 ≤ Β≤ 1) k 1 = 0. 537 (S öD ) 0. 24 ; k 2 = 1. 45k 1 Αm (0) , T res (0) 分别对应柴油机工作循环中燃气的平均换热系数 Αm 和平均温度 T m 。 实际情况中, 由于进排气门的影响, 在同一轴向高度各处的换热系数也应有所不同, 但由于差异较 小, 因而在本文中忽略了周向差别。 3 缸套温度场边界条件的确定 3. 1 燃气侧边界条件 根据式(4) 和式(5) 可以求得轴向距气缸顶部 h (0 ≤ h ≤S ) 范围内各 h 下的缸内温度和换热系数。 因为在活塞下止点, 活塞顶以下部分不与燃气接触, 换热量小得多, 因此仅取其以上部分进行研究。 3. 2 缸套与机架间的换热系数 缸套与机架间的换热系数由缸套与机架间的接触热阻决定。接触热阻的分析计算相当复杂, 实验研 究也很少提供实用可靠的计算公式, 接触热阻值取决于材料性质、接触面光洁度和表面压力。对于接触 热阻的分析计算, 因为目前尚缺乏满意的计算公式, 本例主要按照参考文献中的实例选取。凸肩顶面、缸 套下端面, 由于面积较小, 热交换弱, 作绝热处理 [5 ]。 3. 3 冷却水与缸套外侧的放热系数 Α和冷却水温的确定 冷却水侧的放热系数可按传热学公式计算, 在本例中按实际情况选为 3 000W ö(m 2õ K) , 冷却水温 T w 定为 363 K。 其他诸如缸套下端等离高温气体较远, 对气缸套热负荷影响较小, 故本例中将其视为固定温度。 机架温度 T 1 可由实测或下式决定 [6 ] T 1 = (1. 2～ 2. 0) T w (6) 第 3 期 王希珍, 等: 195 柴油机气缸套温度场的三维有限元分析 373
374 合肥工业大学学报(自然科学版)2000年第23卷第3期 4气缸套温度场的 ANSYS分析 ANSYS程序是一个有限元分析通用程序。对于热分析 ANSYS能够很容易将3种边界条件作为载 荷加到所建立的几何模型上,而且,几何模型的建立及网格的划分也很简单,下面介绍具体的分析过程。 41建模 411定义单元类型 ANSYS单元库中有80多种不同类型的单元类型,本例主要是热分析,故只能在热分析的单元类 型中选择。由于可取缸套的1/4来进行分析,故选择第87号单元,它是10节点的四面体等参单元,对缸 套能够准确地拟合,给网格的划分带来方便。 412材料特性定义 本例计算中,材料被认为是各向同性的,而且材料的物性参数随温度而变化。主要是材料的导热系 数随温度的变化大,材料的比热容随温度的变化不大,高磷铸铁材料的导热系数随温度升高而减小。 材料特性中随温度而变化的,如导热系数等将其作为非线性的处理,在 ANSYS程序中定义成为 表,对任意温度下的这些物性,程序自动使用进行插值运算的结果,对随温度基本不变的材料特性或变 化不大的,本例视为常数。 413几何模型的建立 在缸套温度场的计算中,本文考虑缸套是一轴对称物体,不考虑边 界条件在圆周方向的差别,即忽略进排气涡流的影响和喷油器的影响。 采用1/4模型,并作相应的简化,这样厩减少了计算量,又能保证较高 的准确性。 本步骤的主要目的是玍成有限元模型—一用节点和单元描述模型 的几何形状。本例采用了自下而上的建模方法,首先定义了关键点,由 点生成线,由线生成面,由面生成体。 网格划分上,在一些形状复杂的地方控制单元的大小,主要是让它 小一些,以便于单元生成能与边界吻合,并且避免产生畸形单元。 图1为气缸套的几何模型,有24个关键点,33条线,13个面。此模 型采用整体自动网格划分,网格均匀而且不失真,此单元总共有16053图1气缸套模型及其网格划分 个单元,26296个节点。 42加载和求解 本例中加载是最困难的,取以上所述的边界条件,通过对实测转速为2000rhin,功率为88w 的195柴油机进行计算 需要说明的是内表面的加载,由于内表面各处的边界条件不一样,本例将内表面在高度方向上划分 了13段,其中每一段加载必须选定相应的节点,然后在这些节点组成的单元上加载 其中在外表面下部密封处的加载也是按上面的方法进行的。在面上的加载相对容易一些。 加载完毕,可以用命令列表、显示所加的载荷,来查看所加的载荷是否正确,以免求解的结果不正 确,造成人力物力的浪费。只有加载正确才能获得正确的结果 5结果及评价 对气缸套而言,温度场的分布以及热变形数值的大小对缸套的设计至关重要,细微的差别均可导致 缸套与活塞间的不正常间隙,使活塞磨损加剧,内燃机工作过程恶化。下面是对本例计算结果的分析。 o1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
4 气缸套温度场的AN SYS 分析 AN SYS 程序是一个有限元分析通用程序。对于热分析AN SYS 能够很容易将 3 种边界条件作为载 荷加到所建立的几何模型上, 而且, 几何模型的建立及网格的划分也很简单, 下面介绍具体的分析过程。 4. 1 建 模 4. 1. 1 定义单元类型 AN SYS 单元库中有 80 多种不同类型的单元类型, 本例主要是热分析, 故只能在热分析的单元类 型中选择。由于可取缸套的 1ö4 来进行分析, 故选择第 87 号单元, 它是 10 节点的四面体等参单元, 对缸 套能够准确地拟合, 给网格的划分带来方便。 4. 1. 2 材料特性定义 本例计算中, 材料被认为是各向同性的, 而且材料的物性参数随温度而变化。主要是材料的导热系 数随温度的变化大, 材料的比热容随温度的变化不大, 高磷铸铁材料的导热系数随温度升高而减小。 材料特性中随温度而变化的, 如导热系数等将其作为非线性的处理, 在AN SYS 程序中定义成为 表, 对任意温度下的这些物性, 程序自动使用进行插值运算的结果; 对随温度基本不变的材料特性或变 化不大的, 本例视为常数。 图 1 气缸套模型及其网格划分 4. 1. 3 几何模型的建立 在缸套温度场的计算中, 本文考虑缸套是一轴对称物体, 不考虑边 界条件在圆周方向的差别, 即忽略进排气涡流的影响和喷油器的影响。 采用 1ö4 模型, 并作相应的简化, 这样既减少了计算量, 又能保证较高 的准确性。 本步骤的主要目的是生成有限元模型——用节点和单元描述模型 的几何形状。本例采用了自下而上的建模方法, 首先定义了关键点, 由 点生成线, 由线生成面, 由面生成体。 网格划分上, 在一些形状复杂的地方控制单元的大小, 主要是让它 小一些, 以便于单元生成能与边界吻合, 并且避免产生畸形单元。 图 1 为气缸套的几何模型, 有 24 个关键点, 33 条线, 13 个面。此模 型采用整体自动网格划分, 网格均匀而且不失真, 此单元总共有 16 053 个单元, 26 296 个节点。 4. 2 加载和求解 本例中加载是最困难的, 取以上所述的边界条件, 通过对实测转速为 2 000 röm in, 功率为 8. 8 kW 的 195 柴油机进行计算。 需要说明的是内表面的加载, 由于内表面各处的边界条件不一样, 本例将内表面在高度方向上划分 了 13 段, 其中每一段加载必须选定相应的节点, 然后在这些节点组成的单元上加载。 其中在外表面下部密封处的加载也是按上面的方法进行的。在面上的加载相对容易一些。 加载完毕, 可以用命令列表、显示所加的载荷, 来查看所加的载荷是否正确, 以免求解的结果不正 确, 造成人力、物力的浪费。只有加载正确才能获得正确的结果。 5 结果及评价 对气缸套而言, 温度场的分布以及热变形数值的大小对缸套的设计至关重要, 细微的差别均可导致 缸套与活塞间的不正常间隙, 使活塞磨损加剧, 内燃机工作过程恶化。下面是对本例计算结果的分析。 374 合肥工业大学学报(自然科学版) 2000 年第 23 卷第 3 期
第3期 王希珍,等:195柴油机气缸套温度场的三维有限元分析375 通过有限元的计算,得到一系列的图形和数据。对于气缸套这 样比较复杂的模型,通过繁杂的数据,很难对整体温度场的温度分布 有直接的了解,所以这里运用程序强大的后处理功能对数据进行整 理和处理,使之能与缸套的几何模型相结合,通过直观的图形来表示 温度的分布,同时也可以具体观察某一特定点的温度值,并可以绘制 经过一系列点的温度变化曲线。 图2为气缸套的温度场分布图,其特定的颜色与不同温度值相 对应。气缸套内壁温度变化及顶面上的温度变化,分别如图3和图4 所示 由图3、图4可以看出,等温线的分布是轴对称的。整个温度场 分布是由上至下逐渐变低,其中顶面最高,下部冷却水处最低,上部 温差沿轴向方向较大,下部温度各处比较均匀,这是由于该处热负荷图2气缸套的温度场分布图 较低且完全浸泡于冷却水之中。整个缸套温度最高点位于缸套顶部内侧。从计算结果看,该缸套温度分 布合理,最高温度为487K,热负荷不大 486.2 486.20 463.4 48286 41B.0 472.82 469.47 00.230.460.690.92 00.230.460.690.921.15 图3缸套内壁温度变化曲线图 图4缸套顶面上的温度变化曲线图 [参考文献] ]埃克特,德雷克传热与传质分析M}航青译北京:科学出版社,19839-11 [2]俞佐平陆煜传热学M}北京:高等教育出版社,19952-7 [3]陆瑞松,林发森,张瑞内燃机的传热与热负荷M}北京:国防工业出版社,198576- [4]俞小莉,郑飞,严兆大内燃机气缸体内表面稳态传热边界条件的研究卩内燃机学报,1987(4:329-332 高世义,李东成陈庆敏等缸套瞬态温度场的有限元分析U]内燃机学报,1992(3):256-259 6]叶秀汉动力机械热应力理论和应用M}上海:上海交通大学出版社,1987132-148 (责任编辑朱华新) 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
图 2 气缸套的温度场分布图 通过有限元的计算, 得到一系列的图形和数据。对于气缸套这 样比较复杂的模型, 通过繁杂的数据, 很难对整体温度场的温度分布 有直接的了解, 所以这里运用程序强大的后处理功能对数据进行整 理和处理, 使之能与缸套的几何模型相结合, 通过直观的图形来表示 温度的分布, 同时也可以具体观察某一特定点的温度值, 并可以绘制 经过一系列点的温度变化曲线。 图 2 为气缸套的温度场分布图, 其特定的颜色与不同温度值相 对应。气缸套内壁温度变化及顶面上的温度变化, 分别如图 3 和图 4 所示。 由图 3、图 4 可以看出, 等温线的分布是轴对称的。整个温度场 分布是由上至下逐渐变低, 其中顶面最高, 下部冷却水处最低, 上部 温差沿轴向方向较大, 下部温度各处比较均匀, 这是由于该处热负荷 较低且完全浸泡于冷却水之中。整个缸套温度最高点位于缸套顶部内侧。从计算结果看, 该缸套温度分 布合理, 最高温度为 487 K, 热负荷不大。 图 3 缸套内壁温度变化曲线图 图 4 缸套顶面上的温度变化曲线图 [参 考 文 献] [ 1 ] 埃克特, 德雷克. 传热与传质分析[M ]. 航 青译. 北京: 科学出版社, 1983. 9- 11. [ 2 ] 俞佐平. 陆 煜. 传热学[M ]. 北京: 高等教育出版社, 1995. 2- 7. [ 3 ] 陆瑞松, 林发森, 张 瑞. 内燃机的传热与热负荷[M ]. 北京: 国防工业出版社, 1985. 76- 78. [ 4 ] 俞小莉, 郑 飞, 严兆大. 内燃机气缸体内表面稳态传热边界条件的研究[J ]. 内燃机学报, 1987 (4): 329- 332. [ 5 ] 高世义, 李东成, 陈庆敏, 等. 缸套瞬态温度场的有限元分析[J ]. 内燃机学报, 1992 (3): 256- 259. [ 6 ] 叶秀汉. 动力机械热应力理论和应用[M ]. 上海: 上海交通大学出版社, 1987. 132- 148. (责任编辑 朱华新) 第 3 期 王希珍, 等: 195 柴油机气缸套温度场的三维有限元分析 375