基于参数化有限元模型的活塞热负荷仿真分析

    3. 3 冷却不良下的活塞温度场和热变形
   
    由于冷却水内腔表面特性的改变和局部冷却水流速的变化，势必对冷却水的对流换热产生影响，进而使缸壁的综合换热系数发生变化。综合考虑两者的影响，将冷却水对流换热系数由正常工况的 2 845 W/ m2 ℃，依次减小为 2 660，2 401，2 198，2 000，1 840（W/ m2 ℃），分别输入参数化有限元程序进行计算，结果如图 7，8。
   
    从图 7，8 可以看出，当冷却水对流换热系数减小时，活塞整体温度迅速增加，而后温升减慢，这与多层热阻叠加原理相一致。当冷却水对流换热系数减少到 1840 W/ m2 ℃，活塞最高温度已达到 296. 92 ℃，顶环槽最高温度也达到 263. 17 ℃。如在此工况下运行时间过长，必将造成整机可靠性下降，甚至导致整机故障出现。
   

    4 结论
   
    （1）运用 COSMOS/ M 参数化有限元程序语言及 Delphi 语言，编制了活塞参数化有限元计算程序及其相应的数据接口，为活塞变参数值的热负荷定量分析及优化设计提供了有力工具，并对 490 型柴油机特殊工况下的热负荷进行了仿真计算分析。
   
    （2）通过计算可以看出，在高速高负荷及冷却不良的特殊工况下，490 型柴油机活塞的整体温度上升明显，活塞最高温度及活塞顶环槽的最高温度均已超过活塞正常运行的峰值，大大降低了内燃机整机的可靠性，这恰恰也是部分 490 型柴油机在实际应用中，长时间高速超负荷运行进而导致活塞系统产生润滑不良、磨损加剧，甚至抱缸、卡死等故障的主要原因。上述事实一方面说明 490 型柴油机活塞不易在高速高负荷工况下运行时间过长，同时也表明了冷却水系统对于水冷柴油机活塞保持正常运行状态的重要性。