基于ANSYS船用柴油机气缸体耦合场的有限元分析★

宋 博 杨浩洋

(1．广州航海学院船舶与海洋工程学院,广东 广州 510725; 2.广州中船文冲船坞有限公司,广东 广州 510000)

1 概述

柴油机通过活塞的往复运动以带动其他部件运作来提供动力，活塞与气缸套不断摩擦产生大量热量，造成气缸壁内工作环境十分恶劣，而气缸体承载着气缸套，这些热量也将影响气缸体，进而产生无法弥补的变形。许多柴油机事故中，缸体拉缸，变形，开裂的原因就在于气缸壁内高温恶劣环境。所以有必要进行气缸体温度场研究分析，总结气缸体的承受温度，热应力范围以及热变形。

本文以6S60ME柴油机气缸体为研究对象，通过ANSYS有限元对柴油机气缸体的温度场和变形进行分析计算，并将结果导入热应力分析，为缸体设计提供科学依据。

2 温度场有限元分析

通过图纸资料得出气缸体主要物理数据，并用Pro/E软件建模，将几何模型倒入ANSYS软件。

2.1 边界条件的确定

气缸体各部分边界条件的确定包括气缸壁内，冷却水套，机体外壁各部位的热边界条件，即各部位上的热对流系数以及对应的环境温度。另外，由于气缸壁内的热交换方式是以热辐射为主，

所以燃气平均温度也需要一同分析。在确定传热边界条件时，考虑到气缸壁面上热量的来源[1]：

1)燃气的热对流、热辐射直接传入壁内。

2)活塞侧面燃气与气缸壁的热量传导。

由于活塞在气缸壁内往复运动使气缸内燃气与气缸壁的接触时间不一样，靠近气缸盖上端的气缸壁与燃气接触的时间比接触气缸壁底部的时间长，因此，气缸上下表面的热边界条件是不同的。本文将气缸套内壁面分为四部分，见图1，1区为活塞处于上止点时，活塞顶到气缸套顶部的距离；2区为上下止点中部到上止点的距离；3区为上下止点中部到下止点的距离；4区为下止点到气缸套底部距离[2]。

气缸套冷却水换热系数取平均值为3 000 W/(m2·K)，冷却水温度取平均温度值为309 K。气缸体外壁与外界空气直接接触，运行时壁面温度即周围空气温度，所以外壁面平均温度为320 K，换热系数为60 W/(m2·K)。根据技术资料，内表面平均温度为400 K，换热系数为200 W/(m2·K)。在输入边界条件后进行求解，得到气缸体的温度场分布云图。

2.2 有限元温度场分析

由有限元分析得图2：在气缸内，气缸温度随轴线高度方向往底部降低，最高温度出现在气缸顶部位置，约为550 K,这是因为气缸的顶部与高温燃气有直接接触，热量的传入最高，而在气缸底部，由于有冷却水流动带走热量，同时没有接触燃气，热量主要来源是导热，所以温度最低，约为309 K。而在两个相对的气缸内壁面区域出现高温且温度梯度较大，约在420 K以上，这是由于这些区域要承受两个气缸的燃气传热同时又处于冷却死区，冷却液无法进入该区域带走热量，只能通过气缸间的缸体部分与外界环境直接换热。综上所述，气缸顶到气缸底，气缸内壁面到外壁面，温度呈逐渐下降的趋势。通过上述分析结果可知，气缸内的最高温度约为250 ℃，根据合金铸铁材料的工作特性，是在允许的工作温度300 ℃范围内；而缸体的最高温度约为200 ℃，对于Nimonic80A合金材料来说，其最高的工作温度应低于760 ℃，所以缸体与气缸在正常工况下是不会产生热失效，所以该气缸体满足热强度要求。

3 热应力有限元分析

在上述计算中，我们已经得到了缸体与气缸的温度场的分布结果，我们只需要把计算结果导入结构分析即可得到气缸体的热应力的分析。将温度场单元转化为结构场单元[3]，定义材料热膨胀系数1.1e-5，得气缸热应力图如图3所示。

缸体的热应力变化不大，气缸最大热应力在于高温燃气中，该区域属于冷却死区，冷却液无法进入带走热量使热量积聚产生大量应力，而该部位的往下部分包裹着冷却水进行降温，上下温差

巨大令冷热交接部位产生大量应力；同时该结构的实体结构中并不是如三维建模中那样平整均匀的，而是有很多凹槽与拐角，在工作时，这个部位会产生应力集中现象。这些高应力区域出现在气缸内壁面，是因为区域温度高，都有向外膨胀的趋势。热应力在气缸上有延轴线往下从内到外下降趋势。而缸体部分的热应力均较小，这是由于缸体与外界环境的接触面积广，散热良好令缸体温度比较恒定，不存在冷热交替区域，所以缸体结构产生的热应力不大。

根据上述分析可得：气缸的最大热应力约为120 MPa，而缸体绝大部分热应力都低于42 MPa。本气缸的合金铸铁材料抗压强度为270 MPa，而缸体采用的Nimonic80A合金的材料抗压强度为700 MPa，在该正常工况下，缸体与气缸受到的应力远小于材料强度，故6S60ME柴油机气缸体的强度满足要求。

4 结语

6S60ME船用柴油机气缸体在缸体上温差不大，温度分布较平均，主要温差大的区域在于气缸套上，最高温分布在气缸上部和气缸与缸体连接处的凸台以及密封垫圈处；由于气缸上部分支承处于下部分冷却水套的交界处温差大和结构的原因，在此处容易发生大量应力集中现象，所以最大热应力应变处出现在气缸上部分与下部分交界处部位；在对气缸体进行自由网络划分时，划分的精度会影响温度场与热变形分析结果精确度，通过测试及不同精度等级，最后选择精度等级为3的网络划分对气缸体网络进行划分最为合理，保证了划分速度与分析精度。

本文比较详细地对6S60ME柴油机气缸体温度场进行研究分析，对气缸体温度场分析具有一定的意义，为气缸体温度场方面的研究和生产设计优化提供了一定的借鉴。