基于SimSolid的某型通航发动机活塞温度场和热应力的初分析

                                                                                                                     技术邻用户：炫炫

 1、分析目的

    活塞式通航发动机的活塞属于高温部件，在发动机开发过程中活塞的温度场和热应力是必须要进行的分析项目。本案例是由于某型通航发动机为实现压缩比增加而须对其活塞进行热校核的简要分析。

 2、模型说明

    活塞如图1所示，其材料为BH122A，材料材料如表1所示。

                                                                            图1 活塞的三维模型

 

                                                                           表1 BH122A材料属性

    3、温度场分析

    欲得到活塞的温度场，需要知晓活塞的热边界条件，一般而言，活塞的热边界条件比较复杂，活塞顶部与高温燃气直接接触，裙部与缸套接触，而底部还有润滑油进行冷却。所以，如果要得到活塞准确的换热边界，往往需先进行燃烧仿真分析、喷油冷却分析、活塞动力学分析等一系列分析项目，由于本案例是活塞的初步分析，故而其热边界取同排量发动机的经验值，具体取值如表2所示：

                                                                           表2 边界条件

位置	热边界条件
活塞顶部燃气换热边界	环境温度为420℃，换热系数为500W/(m2.℃)
所有活塞环槽上下面换热边界	环境温度为173℃，换热系数为11W/(m2.℃)
所有环岸外侧面	环境温度为140℃，换热系数为2.4W/(m2.℃)
所有环槽内侧面	绝热边界
活塞底部冷却换热边界	环境温度为420℃，换热系数为500W/(m2.℃)
活塞裙部、活塞销孔换热边界	热流为20000W/m2

    分析计算采用了SimSolid软件，在SimSolid中施加的活塞热边界如图2所示。得益于SimSolid软件的无网格技术，在SimSolid中设置好材料和热边界（其中绝热边界在软件中设置为热流为0W/m2）后即能计算，并快速得出结果，得到的活塞温度场分析结果如图3所示。最大温度为352.5℃，未超过材料许用温度值。

  

                                                                           图2 在SimSolid软件施加热边界 

                                                                           图3 活塞的温度场计算结果

  3、热应力分析

    在SimSolid软件添加一个结构线性分析，并将温度场分析结果加载到活塞上，将活塞销孔进行约束后进行计算，得到热应力分析结果如图4所示。最大应力为23.35MPa，且位于销孔内，说明最大应力并非来自热应力，而是因约束引起的应力。

                                                                           图4 活塞的热应力计算结果

      4、总结

    （1）、由于活塞的热边界来自经验值，并非经过CFD仿真分析后所得，所以温度和应力的分析结果有待进一步核实、修正。

    （2）、SimSolid软件一款比较有开创性的结构分析软件，相对于ABAQUS等分析软件，其最大优势即在于无需划分网格，从而大大减少了建模时间，使得未曾深入学习有限元分析理论的设计工程师也能快速掌握使用。但由于该软件刚面世不久，其功能和易用性还有待优化，比如表面的选择上可增加更多选择方式、比如软件还未有绝热边界、未有边界的映射功能等等。但相信不久的将来，在Altair公司的带领下，SimSolid将会越来越强大，越来越易用。 

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