基于参数化有限元模型的活塞热负荷仿真分析

副标题#e#    活塞是内燃机中的重要零部件，工作过程中承受周期性的强烈热负荷作用，工作条件极其恶劣，其性能的好坏直接影响整机的性能。在正常工况下，活塞一般能够保持较为良好的工作状态，但在特殊工况下，如冷却不良、超负荷运转等，则会出现局部温度过高的现象，实践证明，活塞长时间在超负荷高温下运行，首先会引起材料强度降低，而材料强度的降低则意味着机件在长期工作中会出现永久变形、断裂以至局部发生烧伤，进而导致整机的故障，大大影响了整机的可靠性、耐久性。近几年来，随着内燃机在强化程度和热负荷水平上的大幅度提高，由于特殊工况，而导致的热负荷问题更加突出。如何正确模拟内燃机的特殊工况，准确计算活塞的温度场是解决这个问题的关键。
   
    目前复杂零部件热负荷分析中，大多采用有限元分析方法。由于活塞结构及边界条件复杂，所以在有限元计算中，任何参数的改变均会带来不必要的重复工作。以 COSMOS/ M 有限元程序语言为基础，编制了活塞参数化有限元计算程序，并运用 Delphi 语言编制了相应的数据接口，通过输入参数值的变化来模拟冷却不良及超负荷运转等特殊工况，进而对活塞的温度场和热变形进行计算分析，大大提高了多工况下活塞热负荷分析的效率，为活塞的多工况热负荷故障仿真提供了一种高效的分析方法。
   
    1 基于活塞热负荷的参数化三维有限元计算程序
   
    1. 1 参数化有限元模型
   
    有限元分析软件在绘图、运算命令中引入参数，通过参数实现与外界程序、数据库的有效连接，扩展了有限元计算程序的应用范围，使其具有更强的可扩充性，为建立专业有限元参数化分析模型提供了操作平台，成为复杂零部件优化设计分析的有力工具。参数化有限元程序语言主要由参数定义赋值语句、数学运算操作语句、程序流程控制语句、参数化绘图语句、物性参数设置语句、边界条件设置语句、分析设置及执行语句组成。运用参数化有限元模型不仅能对具体尺寸的复杂零部件进行数值分析，而且可以通过参数接口对某一结构类型的零部件模型进行变参数的数值计算。
   
    由于参数的引入，在有限元模型的建立过程中，不但要考虑各参数化图形元素之间的形位关系，避免尺寸、形位之间的相互干扰，而且要使建立的几何模型符合网格划分及边界条件附加的要求，根据分析实体的不同类型和尺寸，采用不同的边界参数和有效的网格处理方法。这不但增加了参数化有限元模型中几何建模的难度，也加大了参数设计、程序编制的复杂性。
   
    1. 2 参数及其输入接口
   
    根据活塞几何结构及边界条件的特点，将活塞热负荷分析输入参数归结为几何参数、物性参数、边界参数、网格参数及分析参数 5 大类。根据 490 型柴油机活塞的结构及工作运行状况，本次参数化有限元计算程序采用 1/4 几何模型进行计算，输入参数如表 1。
   

    根据活塞热负荷分析中边界条件附加的要求，将活塞的边界分成 45 个区域，边界条件分别由 45 个边界参数值决定。边界条件值可以通过第一类或第三类边界条件的形式输入。几何参数设置时给出具体活塞尺寸为默认值，非参数值为具体尺寸。参数的输入界面均有示意图，如图 1 所示。参数接口处理程序主要负责检查输入参数值的合理性、一致性及有效性，避免出现数据冲突和异常，最后将检验后的参数值输入有限元计算程序进行计算。