内燃机活塞热负荷数值仿真研究开题报告

1.研究的目的及意义

1.1研究的目的

内燃机是通过燃料燃烧将热能转换为动能的一种动力机械，本次实验报告中主要研究船用内燃机中活塞的热负荷。柴油机是通过将柴油和空气供入气缸进入燃烧室燃烧形成高压高温混合燃气燃烧膨胀做功，活塞在高温高压燃气燃烧膨胀的推动下做功再通过曲柄连杆机构作往复运动来将热能转换为动能。内燃机在全世界的应用广泛，全世界的机械设备大多都是靠内燃机来提供动力来源。例如船舶中的主机和发电柴油机，陆地运输车辆的发动机，农业生产器械，航空航天，军事国防领域的大多数机械都需要内燃机来提供动力。所以内燃机的性能优化提升是全世界越来越多人关注的热点问题。

随着内燃机的性能不断优化，内燃机未来的性能发展趋势可以概况为提升它的动力性能和经济性能，以及随着现在各个国家和人们对环境保护意识的不断增强，内燃机的污染排放也是人们在未来内燃机发展道路中需要密切关注的。即提升内燃机的功率，降低它的污染排放和燃油消耗率。

随着社会的需求以及工程师和研究学者的不断研究，内燃机的功率是在不断提升的，伴随着内燃机转速的提升功率的增加，内燃机在工作状态下的热负荷和热应力也在不断的增加。所以对内燃机的受热部件尤其是核心受热部件活塞进行热分析是相当有必要的。对活塞进行热分析能够得到一个直观的稳态和瞬态温度云图的分布状况。以满足现代研究学者和工程师对功率转速不断增加的内燃机的活塞温度和热应力的分布状况有一个大致了解，由此来研究优化提升内燃机活塞的使用寿命和在工作过程中的稳定性，为柴油机活塞的优化设计提升提供参考。

1.2研究的意义

内燃机在工作过程中受热零部件承受高热负荷，其中内燃机燃烧室的组成部分活塞是内燃机中的核心受热部件，所以活塞的热负荷情况关系到内燃机的使用寿命和在使用过程中的稳定性。内燃机活塞的工作环境是相当恶劣且复杂的，活塞的顶部直接与燃烧室内形成的高温高压混合燃气相接触，且在高温高压燃气燃烧膨胀推动下做功。所以活塞在工作过程中承受着极高的热负荷和机械负荷。

内燃机的工作过程中活塞是一直处于高温高压且有很大热应力机械应力的工作环境中，在这种恶劣的工作环境下由于耐热性下降就很容易降低活塞的使用寿命和稳定性。而且在内燃机的工作过程中，活塞顶部与燃烧室产生的高温高压混合燃气直接接触，在燃烧室内产生的高温高压混合燃气的温度是能够超过1000℃的高温的，而活塞的温度分布不均匀，且活塞的冷却散热性能不佳。在这种复杂且恶劣的工作条件下，内燃机是极其容易发生故障的。由于活塞顶部受高温高压燃气的烧蚀，以及极大的热负荷和机械应力，所以在内燃机的运转工作过程中，活塞就极容易发生拉缸以及活塞顶部的烧蚀和开裂等故障。严重时可能直接使活塞在内燃机工作过程中直接失效，导致内燃机不能正常运行。

由于活塞材料所能接受的热负荷和机械负荷是一定有限度的，所以为了内燃机的正常运转工作，观察活塞是否能在恶劣的热负荷工作环境中保持正常的工作，了解活塞的工作状态，大致了解活塞的稳态和瞬态温度分布情况，分析活塞热应力。提升内燃机的性能和对活塞进行优化设计，对内燃机活塞作热负荷数值仿真研究是相当有意义的。

2.国内外的研究现状

2.1国内的研究现状

我国对于内燃机活塞热负荷领域的研究相对于国外来说起步较晚，但随着我国现代经济与科学的不断发展，伴随着社会需求大功率，低排放，低燃油消耗的内燃机，在我国无数研究学者和工程师的专研下。我国对内燃机领域的研究在近年来也取得巨大进展。

2012年武汉理工大学的姚志敏^[7]对6K10型柴油机进行活塞的热负荷仿真研究,详细介绍了柴油机活塞热负荷仿真研究方法中的有限元法和有限元分析软件ANSYSWorkbench。应用有限元分析对活塞的热负荷和热应力进行了深入研究。

2015年广西大学的贺敏超^[8]通过对柴油机活塞的稳态以及瞬态温度场的分析研究，得出结论使用瞬态分析法对于活塞工作循环的动态特性分析是一种更好的途径。

2016年上海交通大学的陈明^[6]通过有限元分析得出活塞的温度分布情况，分析活塞的载荷情况并结合活塞热疲劳的问题进行研究探讨，最后通过实验数据得出结论适当降低活塞椭圆度能有效提高活塞的耐久性。

2017年大连理工大学的刘猛^[9]对活塞的热应力场，机械应力场和耦合应力场进行了分析计算，用有限元分析方法计算分析活塞的稳态以及瞬态温度场。

刘建敏,何盼攀,王普凯,刘艳斌,韩立军^[10]等人在研究中提出由于活塞顶部与高温燃气直接接触下1-2mm处的温度变化剧烈，必须得研究活塞的瞬态温度场才能更加确保活塞热分析的准确性。

西南交通大学的 Y.H.Lu^[15]等人通过有限元分析法对内燃机活塞稳态和瞬态温度场进行了仿真计算，由计算结果得知活塞温度场的最高温度波动小于20。可将活塞稳态温度场当作热应力边界条件来分析。

山东大学的宋鹏飞^[2]通过对大功率内燃机活塞的热分析，分别采用经验公式和多物理场耦合的方式来计算得到活塞温度场，并对比两种研究方式的差异。

安徽工业大学的 X.F.Liu^[16]等人对内燃机活塞内部的机械负荷和热负荷进行了深入研究，通过对实验数据的整理，建立了热负荷，机械负荷，热力耦合条件下活塞的寿命与应力间的关系。

2018年雷基林,王东方,邓晰文,辛千凡,文均^[1]研究探讨不同工况下柴油机活塞顶面瞬态热负荷，通过有限元分析研究得出活塞在稳态工况下热分析变化较小。过渡工况下活塞的负荷急剧增大又急剧减小。极大影响活塞的使用寿命和稳定性，这为活塞的优化设计提供了参考数据。

苌转，赵云磊^[17]在对496ZQ柴油机进行活塞热分析时，用四分之一活塞作为研究对象对活塞进行有限元分析，通过研究温度场和应力分布状况，由于活塞的温度太高不符合设计要求，提出冷却油腔和加隔热槽的方法来对活塞进行优化。

2019年Z.J.Qin^[12]等人通过对柴油机活塞的有限元分析计算温度场分布和热力耦合应力。通过对活塞进行多目标，多学科的优化设计，活塞质量减小了4.7％，最大热机械耦合应力减少了1.3％。

2.2国外的研究现状

国外在内燃机领域应用有限元的方法来进行数值分析是早于国内的，在有限元分析方面，由于有限元分析方法在流体力学，热分析等数值分析方面具有优秀的求解能力。Ansy, Hypermesh, Abaqus等优秀的有限元分析软件在国外优秀公司和专研人员的共同研制下产生。由于柴油机的复杂工况，在早期没有统一的传热公式进行求解，后来国外工程师和科研人员由实验数据归纳总结提出了适用于内燃机传热与热负荷的经验公式和半经验公式。在近些年，国外在内燃机活塞领域也做了深入的研究。

2015年Szmytka, F. Salem, M. Rezai-Aria, F. Oudin. A^[22]等人对柴油机活塞的热疲劳进行分析，通过有限元分析软件对活塞进行建模并进行求解温度场，研究了铝合金的机械疲劳准则，并估计活塞在循环载荷下的使用寿命。

2016年 Ravindra Gehlot, Brajesh Tripathi^[14]通过有限元分析软件ANSYS Workbench研究了活塞的稳态温度场，并在此基础上通过在活塞顶部加陶瓷热障涂层的方法对活塞的热负荷进行分析。

2017年 Cioata,V.G.; Kiss,I. Alexa,V.^[23]研究了活塞的热负荷和机械负荷，通过CAD软件对活塞进行了三维建模，并使用CAE软件确定活塞的应力和变形，对活塞的热负荷进行了深入分析。

2018年Pawel Magryta1,Michal Geca^[13]在研究飞机二冲程柴油机活塞的热分析时，通过对比分析的方式分析了两种不同材料的活塞的热分析，一种完全是由铝合金组成的活塞，另一种是由铝和钢构成的组合式活塞。

2019年M.Mechalikh, A.Benhammou, I.Zidane, A.Bettahar^[21]等人通过有限元分析软件ABAQUS对活塞模型进行热分析，对一组活塞材料进行求解得到温度场和应力场的分布状况，进而分析对比得出结论AS12UNG奥氏体钢相比较其它材料的热应力值较低，这种材料有助于活塞的优化设计。

3.研究的基本内容和目标，采用的技术方案和措施

3.1研究的基本目标

活塞作为内燃机的核心部件，工作环境极其复杂且恶劣。活塞的热分析又直接影响到内燃机的使用寿命和稳定性。所以对活塞进行热分析在研究内燃机领域是相当有必要的，本次毕业论文的基本目标就是对船用内燃机活塞进行热分析，主要就是分析他的稳态和瞬态温度场，并在此基础上研究内燃机活塞热应力的分布情况。

3.2研究的基本内容

1）利用三维建模软件SolidWorks建立活塞的三维模型，通过保存通用中间格式IGS格式或者x_t格式将活塞模型导入有限元分析软件ANSYS Workbench中。

2）在有限元分析软件中对活塞进行网格划分，施加热边界条件求解得到活塞的稳态温度场以及瞬态温度场。对活塞的温度场进行研究分析，观察活塞的温度分布情况，分析活塞的稳态以及瞬态温度场以及活塞热应力的分布。

3）在之前的基础上做一个活塞在不同材料下的对比分析。现在活塞材料普遍使用的是铝合金，可以研究分析铝合金铸成的活塞和其它合金铸成的活塞的热负荷分析。

3）分析活塞热负荷的情形，为活塞优化设计提供参考。

3.3采用的技术方案和措施

随着计算机技术的发展，对活塞分析的方法原来越多元化。但目前有限元法还是活塞分析的主流方法。在本次毕业设计中的技术方案采用的就是有限元法中的有限元软件ANSYS Workbench。有限元的方法是将求解部分单元划分，将单元通过节点连接，以此来求解模型。

5.阅读的参考文献

[1]雷基林,王东方,邓晰文,辛千凡,文均.稳定和过渡工况下柴油机活塞顶面瞬态热负荷变化规律[J].农业工程学报,2018(21):65-73

[2]宋鹏飞.大功率柴油机活塞热负荷分析[D]：［硕士论文］.山东:山东大学，2017

[3]程文虎.内燃机活塞变形与应力三维有限元分析[D]：［硕士论文］.安徽：合肥工业大学，2009

[4]陆瑞松.内燃机的传热与热负荷[M].北京:人民交通出版社，1988

[5]肖永宁.内燃机热负荷和热强度[M].北京:机械工业出版社，1988

[6]陈明.高负荷柴油机活塞耐疲劳研究[D]：［硕士论文］.上海：上海交通大学，2016

[7]姚志敏.6K10型柴油机活塞热负荷研究[D]：［硕士论文］.武汉：武汉理工大学,2012

[8]贺敏超.基于ANSYS的柴油机活塞结构强度与温度场研究[D]：［硕士论文］.广西：广西大学，2015

[9]刘猛.柴油机活塞温度场和应力场的有限元分析[D]：［硕士论文］.大连：大连理工大学，2017

[10]刘建敏,何盼攀,王普凯,刘艳斌,韩立军.柴油机活塞瞬态温度场分析[J].装甲兵工程学院学报,2017(2):44-47.

[11]刘猛,宋希庚,王洪峰,殷玉龙.某柴油机活塞热负荷分析[J].内燃机与配件,2017(3):31-33.

[12]Z.J.Qin.,Y.S.Li.,Z.Z.Yang.,J.F.Duan.,L.J.Wang., Diesel engine piston thermo-mechanicalcoupling simulation and multidisciplinary design optimization[C]. Case Studies in Thermal Engineering,2019

[13]Magryta,P, Geca,M. FEM analysisof piston for aircraft two stroke diesel engine[C]. III INTERNATIONAL CONFERENCE OF COMPUTATIONAL METHODSIN ENGINEERING SCIENCE (CMES18),2019

[14]Gehlot,R. Tripathi,B. Thermalanalysis of holes created on ceramic coating for diesel engine piston[J]. CASE STUDIES IN THERMAL ENGINEERING,2016(8):291-299

[15] Y.H.Lu, X.Zhang, P.L.Xiang, D.W.Dong.Analysis of thermal temperature fields and thermal stress under steadytemperature field of diesel engine piston[J]. APPLIED THERMALENGINEERING，2017（113）:796-812

[16]X.F.Liu.,Y.Wang.,W.H.Liu., Finiteelement analysis of thermo-mechanical conditions inside the piston of adiesel engine[J]. APPLIED THERMAL ENGINEERING,2017(119):312-318

[17]杨世铭.传热学（第三版）[M].北京:高等教育出版社，1998.

[18]宋剑锋.详解ANSYS有限元分析[M].北京：中国铁道出版社，2012.7

[19]苌转,赵云磊.496ZQ柴油机活塞热负荷研究与评价[J].内燃机，2018（3）：42-45

[20]陆爽等编著.ANSYS Workbench13.0有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社，2012.3

[21]M.Mechalikh,A.Benhammou,I.Zidane,A.Bettahar.Study of Piston Thermo-Elastic Behaviour under Thermomechanical Solicitations[J]. INTERNATIONALJOURNAL OF AUTOMOTIVE AND MECHANICAL ENGINEERING,2019 (16):7287-7298

[22]Szmytka,F.Salem,M.Rezai-Aria,F.Oudin.A, Thermalfatigue analysis of automotive Diesel piston: Experimental procedure andnumerical protocol[J]. INTERNATIONAL JOURNAL OF FATIGUE,2015(73):48-57

[23]Cioata,V.G.;Kiss,I.Alexa,V.Mechanicaland thermal analysis of the internal combustion engine piston using Ansys[C].INTERNATIONALCONFERENCE ON APPLIED SCIENCES,2017