UUV特种发动机活塞的热-固耦合分析

张 宇, 张进军, 李斌茂



UUV特种发动机活塞的热-固耦合分析

张 宇, 张进军, 李斌茂

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

为了研究温度载荷和机械载荷对活塞应力应变的影响, 基于有限元方法, 采用UG和ANSYS Workbench软件, 建立了无人水下航行器(UUV)特种发动机活塞3D有限元模型。在ANSYS Workbench中对活塞进行了热分析、静力学分析及热-固耦合分析, 得到了活塞温度场、应力场及应变的分布。结果表明, 受温度场的影响, 热-固耦合中活塞的应力、应变明显比静力学分析中的大, 且出现的位置也不尽相同。同时, 在活塞结构的应力应变分析中, 活塞头部易产生裂纹。仿真分析结果与试验测试结果有较好的一致性, 为活塞的设计和优化提供了理论依据和参考。

无人水下航行器; 特种发动机; 热-固耦合; ANSYS Workbench软件; 热分析; 静力学分析

0 引言

活塞是无人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)特种发动机的重要组成部分之一, 对发动机性能有直接影响。活塞在工作时, 温度场与应力场耦合作用, 使活塞的受力情况变得更为复杂。因此, 对活塞进行热-固耦合仿真研究就显得极其重要。

在以往的研究中只是对活塞进行了单一的分析[1], 或者是虽然对活塞进行了热分析和机械应力分析, 但却没有将热力学和机械应力有效结合起来[2], 导致分析结果的不完整和不可信。本文基于有限元法, 利用UG、ANSYS Workbench对活塞进行了热分析及机械应力分析, 并在此基础上进行热-固耦合分析, 比较分析了仿真结果, 得到的结论为活塞的设计和优化提供了理论依据和参考。

1 活塞有限元模型建立

UUV特种发动机的活塞火力岸和环岸呈阶梯状, 火力岸、环岸、裙部和气缸套之间的间隙大小也不一样, 将活塞分为如图1所示的几个不同区域。区为活塞内腔,区为活塞顶面,区为活塞第一环岸区,区为活塞火力岸,区为活塞第一环槽区,区为活塞裙部。当活塞受热达到稳态时, 活塞的传热情况为

活塞有限元模型的生成主要有3个方面, 分别是材料特性定义、有限元网格划分及边界条件定义。活塞材料取钛合金。同时对活塞结构做如下假设: 1) 活塞材料为均匀的各向同性材料; 2)活塞结构是线性弹性的; 3) 系统为无阻尼系统。

图1 活塞结构及传热示意图

1.1 有限元网格的生成

传统的计算机辅助工程(computer aided engineering, CAE)软件在设计研发中存在很多不足, 首先是对分析人员的要求很高, 主要是有限元的概念, 与相关行业功能结合较少, 其次是数据接口与共享不方便, 处理模型的功能较弱, 再次是传统的CAE软件主要在设计后期使用, 而不是贯穿整个设计过程。

ANSYS Workbench是一种全新的界面操作系统, 以模块单元搭建整个工程分析流程, 更加人性化, 建模与网格划分更加方便快捷, 并且融合了ANSYS系列产品, 使数据实现无缝传递以及共享, 为仿真和设计提供了全新的平台, 其求解模块保证仿真的通用性和精确性, 全面提高了工程问题的仿真及设计效率。

本文利用ANSYS Workbench, 在不影响活塞基本性能的前提下对模型进行合理简化, 然后将简化后的模型导入ANSYS Workbench中, 采用187号单元通过控制单元大小, 对活塞实体进行网格划分, 如图2所示, 其中包括37 322个单元及64 876个节点。

图2 活塞实体有限元网格模型

1.2 热分析有限元模型

在ANSYS Workbench中, 工程热分析的实质就是求下述方程的特征解[3]

在稳态热分析中, 任一节点的温度不随时间变化, 稳态热分析的能量平衡方程为

在热分析有限元模型中, 其边界条件即为热传导边界条件。

热传导边界条件唯一要确定的是弹性连续体的温度分布, 必须知道该连续体边界上的边界条件[4]。对于稳态热传导问题, 3类边界条件分别为温度边界条件、热流边界条件及热交换边界条件。其中热交换边界条件的公式为

1) 活塞顶部和燃气侧的换热边界条件

2) 气缸套和冷却水的换热

3) 活塞外侧和冷却水的换热边界条件

4) 活塞内腔和润滑油的换热边界条件

表1 计算数据

1.3 静力分析有限元模型

在ANSYS Workbench中, 动力学分析的实质就是求解下面运动方程的特征解

忽略所有与时间相关的选项, 于是有静力分析的运动方程

2 温度场及应力计算与分析

2.1 活塞温度场分析

图3 活塞的温度场分布

2.2 活塞受力分析并求解

对活塞进行静力分析, 研究其在固定载荷作用下的结构响应, 为下一步耦合分析做准备。

图4 活塞应力分布图

图5 活塞应变分布图

活塞应变位移、等效应力的最值如表2所示。

表2 应变及应力的最值

3 活塞热-固耦合分析

热-固耦合计算是在热分析和静力分析的基础上进行的, 其实质是将热分析结果作为边界条件之一加载到静力学分析模型中, 从而得到综合了热应力的结构响应[7]。

结构在加热或冷却时, 即便温度变化均匀, 但有其他约束的存在, 或者有不同的热膨胀系数, 由于热胀冷缩产生变形, 而变形受到某些限制, 如位移受到约束或施加相反的力, 或者材料不同而形成不均匀变形, 则结构中就产生了热应力。热应力对结构的影响是不能被忽略的, 否则会导致结构设计和分析的偏差。

本文基于ANSYS Workbench, 首先进行稳态热分析, 即建立热单元模型, 施加热载荷, 求解并查看结果, 然后将热分析单元加入机械应力分析模块, 即将热分析的结果作为约束添加到静力分析当中。其分析流程如图6所示。

图6 热-固耦合分析流程图

活塞应力等值线如图7所示。应力分布基本呈轴对称, 由于受到温度场及约束的共同影响, 最大应力出现在活塞头部边缘及其内表面, 为258.7 MPa, 活塞顶面受力相对小得多, 为43.2~129.3 MPa, 且应力等值线区域呈圆形扩散, 第一环岸和第一、二环槽处应力也比较大, 活塞裙部受力小的多。由于模型中忽略了边倒圆, 活塞头部内表面与裙部内表面连接圆周处以及活塞裙部边缘出现应力集中。

图7 活塞热应力分布图

由于活塞头部温度梯度很大, 造成其应力也比较大, 从而在该部分容易产生材料疲劳, 出现裂纹、烧蚀等现象, 特别是在头部边缘等应力大的位置。这与实际使用中的情形是相符的。

活塞应变等值线如图8所示, 活塞变形基本呈轴对称分布; 形变分布与应力分布基本一致, 最大变形位置与最大应力出现位置基本一致, 最大形变量为0.001 459 5 mm。活塞头部内表面与裙部内表面连接圆周处以及活塞裙部边缘应力集中, 形变大。活塞耦合分析应变位移、等效应力的最值如表3所示。

图8 活塞热应变分布图

表3 求解数值

与静力学分析中得到的结果比较, 热-固耦合分析结果有明显的不同: 应变及应力值明显增大, 同时应力、应变的分布也不相同。而两者分析的条件差别只在于是否考虑温度场的影响, 可见, 受热结构的应力应变分析中, 温度的影响不应被忽略。

4 结论

本文基于有限元理论, 利用UG、ANSYS Workbench建立了UUV特种发动机活塞的3D模型, 进行了热分析、机械应力分析, 并在此基础上进行了热-固耦合分析, 由分析结果得出以下结论。

1) 热-固耦合的变形图中, 由于受温度场的影响, 活塞的应力、应变明显比静力学分析中的大, 且出现位置也不相同, 可见, 在活塞结构的应力应变分析中, 温度的影响不应忽略。特别是为提高发动机输出功率而使气缸中工质温度进一步提高时, 活塞失效机率增大, 从而导致发动机失效。

2) 活塞各部分变形未超过其许用间隙, 不会产生拉缸。由热-固耦合图可知, 活塞头部变形梯度较大, 而裙部变形较小, 因此, 活塞头部和环岸区及裙部的阶梯型的设计是合理的。

3) ANSYS Workbench采用模块化的设计和分析方式进行有限元计算, 人机互动简单易行, 计算精度及效率高。

[1] 袁鹏, 高晟耀. 对置式凸轮发动机活塞热分析[J]. 鱼雷技术, 2009, 17(2): 49-52.Yuan Peng, Gao Sheng-yao. Thermal Analysis of Contrapo- sitive Cam Engine Piston[J]. Torpedo Technology, 2009, 17 (2): 49-52.

[2] 王小兵, 刘保安, 王玉芝.基于RecurDyn和ANSYS Workbench的活塞强度分析[J]. CAD/CAM与制造业信息化, 2010(6): 60-63.

[3] 姚倡锋, 钱志博. 基于有限元法对鱼雷摆盘发动机活塞温度场和应力场的仿真研究[J]. 鱼雷技术,2002,10(1):32-34. Yao Chang-feng, Qian Zhi-bo. A Study of Simulation on the Piston′s Temperature and Stress Fields of Swashplate Engine with Finite Element Method[J]. Torpedo Technology, 2002, 10(1): 32-34.

[4] Robinson D, Palaninathan R．Thermal Analysis of Piston Casting Using 3-D Finite Element Method[J]. Finite Ele- ments in Analysis and Design, 2001, 37(2): 85-95．

[5] 浦广益. ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2010.

[6] 赵连峰. 鱼雷活塞发动机原理[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1991.

[7] Danielson E, Turner D, Elwart J. Thermomechanical Stress Analysis of Novel Low Heat Rejection Cylinder Head Designs[J]. SAE Paper, 1993: 930-985.

Thermal-solid Coupling Analysis of UUV Special Engine Piston

ZHANG Yu, ZHANG Jin-jun, LI Bin-mao

(College of MarineEngineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

To study the influences of temperature load and mechanical load on the piston stress and strain, a three-dimensional finite element model of the special engine piston for an underwater unmanned vehicle(UUV) is set up based on the finite element method by using the UG and ANSYS Workbench. The thermal analysis, static analysis and thermal-solid coupling analysis of the piston are performed on the ANSYS Workbench, thus the temperature field, stress field and strain distribution in the piston are obtained. The results show that under the influence of temperature, the stress and strain in the thermal-solid coupling analysis are larger than that in the static analysis, and their positions are different from those in static analysis. In addition, in the static stress/strain analysis of the piston, cracks usually appear first on the head of the piston. Simulation results show good consistency with the test ones.

underwater unmanned vehicle(UUV); special engine; thermal-solid coupling; ANSYS Workbench software; thermal analysis; static analysis

TJ630.32

A

1673-1948(2013)04-0287-06

2012-11-01;

2013-03-30.

张 宇(1987-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下航行器动力推进技术.

(责任编辑: 陈 曦)