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行业新闻

基于CAE模仿剖析柴油机活塞内冷油道设想与优化

时间:2019-07-28来源:申博太阳城浏览次数:

择要:本文针对国内某款柴油机活塞在售后市场上较大局限涌现活塞开裂穿孔等失效题目,对柴油机活塞内冷油道位置及构造尺寸举行优化设想,采纳ANSYS软件对优化计划举行CAE模仿剖析,经由过程对活塞温度及温度-构造耦合应力结果对照剖析研究,对柴油机活塞内冷油道举行设想优化,经由过程台架实验和市场运用考证,有用下落了柴油机活塞开裂穿孔等失效风险和售后市场补偿率。


1媒介


活塞是柴油机熄灭室中的症结零部件,与整机的机能、排放性和经济性密切相关。跟着发动机向高速、强化方向的生长,其增压比和升功率不断进步,热负荷大幅增添,活塞的事情条件越发卑劣,故其可靠性已成为进步发动机可靠性的症结因素之一。


内燃机活塞事情环境卑劣,不仅蒙受熄灭气体迸发压力、活塞组件的惯性力、缸壁的反作用力,而且还蒙受气体熄灭所释放出的热量,因而,活塞构造设想庞杂。之前的设想基础靠产物设想者的履历和高贵的发动机实验举行考证,不仅糟蹋庞大的人力物力,而且开辟周期很长;现在国内外已广泛采纳CAE模仿剖析举行活塞可靠性设想,进步活塞产物设想开辟效力,因而关于活塞可靠性举行模仿仿真剖析已成为活塞产物设想的必要步骤。

本文重要针对国内某款柴油发动机活塞在售后市场上涌现较多活塞开裂穿孔等失效题目,经由过程对活塞内冷油道举行设想优化,采纳ANSYS软件Mechanical模块举行CAE盘算剖析,经由过程剖析优化活塞油道位置和外形尺寸设想,以期下落活塞开裂穿孔失效风险。


柴油机活塞CAE剖析目的:经由过程CAE模仿剖析活塞内冷油道位置、高度、偏移等对熄灭室喉口及内冷油道部位的应力影响,找出内冷油道相宜位置及外形尺寸,经由过程活塞产物设想优化,以改良柴油机活塞开裂穿孔的失效题目。


剖析计划:针对油道位置和外形尺寸举行设想对照剖析,找出活塞内冷油道最好位置和外形尺寸,进步活塞事情强度可靠性,处置惩罚活塞穿孔开裂题目。


2活塞材料参数和CAE模子


柴油机活塞采纳共晶铝硅合金材料S04,其常温下的弹性模量E=72000 MPa,泊松比μ=0.3l,导热系数λ=140 W/(mm×K),比热容C=920E-3 J/(T×K),密度ρ=2.73E-9T/mm3,150~350℃时的材料线形膨胀系数β=21.4×10-6/℃;


活塞一环槽部位铸铁镶圈采纳奥氏体铸铁,其常温下的弹性模量E=99000Mpa,泊松比μ=0.28,导热系数λ=60W/(mm×K),比热容C=448E-3J/(T×K),密度ρ=7.3E-9T/mm3,150~350℃时的材料线形膨胀系数β=19.5×10-6/℃;


活塞销及连杆材料采纳合金钢20CrMnTiH,其常温下的弹性模量E=207000MPa,泊松比μ=0.3,导热系数λ=50 W/(mm×K),比热容C=460E-3 J/(T×K),密度ρ=7.83E-9T/mm3,150~350℃时的材料线形膨胀系数β=12×10-6/℃。


活塞、活塞销和连杆模子的竖立,起首采纳UG软件竖立产物的三维多少模子,而且把所竖立的三维模子经由过程UG和ANSYS软件的接口导入到ANSYS中;一切部件均是根据实在尺寸建模,导入后没有特性的丧失。在本次剖析中热单位采纳10节点87号单位,构造单位采纳10节点187号单位;采纳四面体网格自适应网格分别,保证CAE网格的分别质量,在活塞风险地区和须要重点关注地区举行网格细化,以保证剖析结果的正确;模子和网格分别结果。


3边境条件


活塞热-构造耦合场的盘算采纳间接耦正当,先剖析活塞温度场,将温度场的结果作为边境条件举行温度-构造耦合剖析。


3.1温度场载荷的处置惩罚


活塞的热边境条件采纳传热的第三类边境条件,即给出外围介质温度和边境的对流换热系数,柴油机活塞在设想时斟酌采纳内冷油道来下落活塞的热负荷,一般活塞内冷油道与冷却喷油的换热系数在1000-1600 W/(m2×K)之间。活塞内腔与曲轴箱飞溅油的换热系数在300-600 W/(m2×K)之间,且自上而下逐段减小;裙部地区的换热系数在350-465 W/(m2×K)之间;环区的换热系数在第一环槽可高达1500 W/(m2×K)。熄灭室顶面临燃气的换热系数在400-600W/(m2×K)活塞各个面上的对流换热系数1。


3.2构造剖析载荷的处置惩罚


在活塞顶面加载发动机最大爆压18MPa,在火力岸及一环槽地区加载0.8倍最大爆压,二环槽地区加载0.2倍最大爆压。


3.3衔接及束缚处置惩罚


基于刚度和强度性能的车身底骨架钢结构轻量化研究(实例)

摘要:建立12米城市客车骨架有限元模型,以刚度和强度性能为评价基础,结合拓扑优化和尺寸优化的方法,并考虑生产及工艺要求,对车身底骨架进行结构和尺寸优化设计。研究结果及实车制造表明,轻量化效果显着,结构安全可靠,同时刚度和强度性能得到提升。该优化设计结果为同类车型的轻量化优化设计提供参考。 以纯电动和混合动力为主的新能源城市客车已逐步替换燃油为燃料的传统城市客车。而续航里程是新能源汽车关注的首要问题。研究车身结构轻量化,降低整备质量,是汽车企业提高续航里程的主要方法之一。车身骨架是整车主要的承载部件,骨架质量在汽车整备质量中的比例占30%-40%,一般汽车轻量化主要是指车身结构的轻量化[1-3]。应用轻质材料、优化设计以及轻量化制造工艺是车身结构轻量化的三条主要途径。车身骨架轻量化优化设计主要是综合拓扑优化、形貌优化和多目标优化等结构优化方法来改变骨架的材料、结构和尺寸,在保证其性能的基础上实现减重的目的[4-5]。本文将介绍城市客车车身结构轻量化的研究

活塞与活塞销、活塞销和连杆间竖立打仗对衔接,连杆下端面牢固束缚。


4 CAE剖析结果


4.1现设想(1#计划)活塞CAE剖析结果


温度剖析结果:活塞最高温度为338.39℃,涌现在活塞熄灭室喉口部位,活塞最低温度为141.50℃,涌现在活塞裙部的下端。


温度-构造耦合剖析应力剖析结果:应力最大部位在活塞一环槽下正面,最大应力为141.5 MPa,销孔部位最大应力值为73.8MPa,内冷油道部位最大应力为109.2 MPa,熄灭室喉口部位最大应力为51.9 MPa。

4.2油道高低位置挪动(2#、3#计划)CAE剖析的应力结果对照


对照结果:内冷油道位置高低挪动对活塞温度及内冷油道应力均有影响,特别对活塞内冷油道部位应力影响较大,油道上移能够下落活塞内冷油道部位应力,同时下落活塞团体温度;内冷油道下移则显著增大活塞内冷油道部位应力,并致使活塞温度升高。


4.3油道偏幸挪动(4#、5#计划)CAE剖析的应力结果对照


对照结果:油道沿销孔或垂直销孔方向挪动1.5毫米对活塞温度影响不显著,但对内冷油道和熄灭室喉口部位应力有肯定影响,油道和熄灭室喉口部位应力升高,故请求在生产中对活塞内冷油道偏移公役应举行严格控制,防备内冷油道偏移量过大,形成活塞风险部位应力过大,形成活塞在内冷油道和熄灭室部位涌现开裂失效。


4.4油道外形尺寸(6#、7#、8#计划)CAE剖析的应力结果对照


活塞内冷油道高度和宽度减小,形成活塞内冷油道内腔冷却面积减小,内冷油道尺寸减小虽然对活塞内冷油道、熄灭室和销孔部位的应力有肯定水平下落,但致使活塞温度升高幅度较大,下落活塞运用可靠性。

4.5结果汇总统计剖析


活塞内冷油道上移,活塞温度下落较为显著,活塞内冷油道、熄灭室喉口部位应力也有所下落,这对改良活塞涌现的开裂穿孔失效有显著结果;活塞内冷油道外形尺寸减小对改良活塞风险部位应力有肯定结果,但减小了活塞内冷油道冷却面积,形成活塞团体温度升高,不利于活塞可靠性进步;活塞内冷油道位置偏移公役过大,会致使活塞内冷油道及熄灭室喉口部位应力增大,特别是内冷油道部位应力增大较为显著,所以活塞油道偏移公役应在生产中严格控制,防备涌现大于1mm以上的偏移。

5结论


(1)活塞内冷油道的高低位置更改:油道上移,活塞团体温度下落,并可以使活塞内冷油道和熄灭室喉口部位的应力下落,对改良活塞团体构造强度具有很好的结果;油道下移,活塞团体温度升高,并将致使活塞内冷油道部位的应力涌现较大幅度的增添,增添活塞开裂穿孔的风险。


(2)活塞内冷油道偏移对活塞强度影响较大,会致使活塞内冷油道部位应力显著增大,活塞内冷油道偏移度应在生产工艺中严格控制。


(3)减小内冷油道内腔面积能够下落活塞内冷油道部位的应力,但减小内冷油道内腔面积会形成活塞团体温度升高较大。


综合以上CAE剖析对照结果,柴油机内冷油道活塞设想优化计划采纳内冷油道上移1.0mm,内冷油道外形尺寸稳定,能够有用下落活塞团体温度,同时下落活塞内冷油道和熄灭室喉口部位构造应力,从而有用下落活塞售后市场涌现开裂穿孔的风险。


根据CAE模仿剖析结果对柴油机活塞内冷油道优化设想,设想优化后的活塞产物经由发动机台架实验及市场运用考证,柴油机活塞售后市场涌现活塞开裂穿孔失效比率显著下落,有用处置惩罚了柴油机活塞开裂穿孔失效题目。


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