发动机气缸套温度场分析系统的开发

2022-07-01宋振飞汤必强

合肥工业大学学报（自然科学版） 2022年6期

宋振飞, 王虎, 汤必强

(合肥工业大学机械工程学院,安徽合肥 230009)

发动机工作时,活塞在气缸套中往返运动,进而获得车辆行驶所需的动力。在发动机工作期间,燃烧室内燃料燃烧产生大量的热,气缸套在这种高温环境下工作,极易发生变形、失圆、拉缸、断裂等。因此,对气缸套温度场进行相关研究以优化气缸套的结构设计,使热负荷对气缸套工作性能造成的影响降到最低非常重要[1]。

利用Hypermesh、ANSYS等工具对气缸套进行温度场有限元分析时,需要进行缸套建模、定义材料属性(如材料密度、导热系数等)、施加边界条件、确定工况等。然而,不同发动机型号匹配的气缸套种类不同,可分为干式缸套、湿式缸套、针刺缸套、压入式缸套等,同一种类型缸套也有不同的结构和尺寸。若对不同类型的缸套进行温度场分析,往往需要重复进行有限元分析工作,造成工作效率低、耗费时间长,分析人员也会感到工作乏味。另外,有限元分析软件需要使用者掌握其工作原理和较为繁杂严格的使用方法,进而导致这类分析软件不易被多数工程技术人员掌握。

为了解决上述问题,本文从实际应用出发,Java语言开发平台并结合ANSYS软件的参数化设计语言APDL(ANSYS parametric design language)对ANSYS进行二次开发,设计出针对不同种类的气缸套温度场分析系统[2]。利用Java开发平台Eclipse建立可视化操作界面,在界面上输入气缸套结构参数和材料属性参数,并将这些数据读入到命令流(ANSYS命令和APDL功能语句组成)文件中,同时通过批处理文件在后台启动ANSYS;ANSYS启动后,会执行之前的命令流文件进行建模、定义材料属性、施加边界条件、分析计算等工作；最后在操作界面上点击查看结果数据和云图。该系统的核心是通过可视化界面对命令流文件进行创建和修改,并将修改后的命令流文件导入ANSYS软件,进而快速、简便地完成有限元分析及后期处理和显示工作[3]。

1 温度场分析系统整体设计

可视化操作界面和ANSYS参数化设计语言是气缸套温度场分析系统的2个主要组成模块。操作界面通过Java开发平台Eclipse设计完成,参数化设计语言由ANSYS的Mechanical APDL Product Launcher软件设计实现,前者通过批处理文件启动后者。气缸套温度场分析系统工作流程如图1所示。

图1 气缸套温度场分析系统工作流程

1.1 可视化操作界面

操作界面模块包括缸套种类选择区域、型号选择区域、横截面尺寸简图区域、边界条件施加区域、尺寸参数区域、属性参数区域等。通过点击缸套类型区域的各种缸套,可以切换到不同的缸套类型操作界面。横截面尺寸图可以让使用者在输入尺寸参数时进行参考,便于理解各个数据在缸套上对应的位置,同时防止数据输入的时候产生混乱。在尺寸参数区、材料属性参数区和施加边界条件区输入某缸套对应的数据,这些数据在程序运行时被读到命令流文件中,以被ANSYS读取、计算。计算完成后,可在结果查询区域点击查看缸套工作时的最大温度、温度云图、温度数据。某型号气缸套温度场分析系统操作界面如图2所示。

图2 气缸套温度场分析系统操作界面

1.2 ANSYS参数化设计语言

用ANSYS软件分析结构体时,要求对结构体进行建模、定义结构体的材料属性等。在实际应用时,免不了对结构体模型进行修改,若像三维绘图软件那样修改结构体模型的尺寸,则费时费力。使用ANSYS参数化设计语言可以解决该问题,其将结构体尺寸进行参数化,当需要改变结构体模型的尺寸时,只需改变尺寸参数即可得到大小不同结构相同的结构体模型。ANSYS参数化设计语言APDL可以自动完成建模,相当于FORTRAN的诠释性语句,提供一般程序语言的功能,包含宏命令、工具条、参量3个方面的内容,可与ANSYS命令一起构成命令流供ANSYS软件读取[4]。

以某型号湿式气缸套为例,部分命令流见表1所列。

表1 部分命令流

2 ANSYS二次开发

2.1 ANSYS软件的批处理模式

ANSYS的Mechanical APDL Product Launcher软件中,模拟环境模式分为批处理模式(ANSYS batch)和图形用户界面(graphical user interface,GUI)的界面操作模式。GUI操作时需要操作者在可视化的界面上创建模型、施加边界条件、划分网格等。批处理模式相较于界面操作模式更加行之有效,这是由于批处理模式只需要用户编写好命令流和批处理文件,即可让其他程序调用执行,以实现参数化分析[5-6]。

2.2 ANSYS软件在Java程序中的接口

进行气缸套温度场分析时,用户在Java语言编写的界面上点击计算按钮后,后台会进行如下操作：① 将在界面输入的气缸套尺寸参数和材料属性参数等写入初始生成的命令流文件中,以达到对命令流文件修改的目的;② 程序通过批处理文件在后台调用ANSYS软件,主动执行修改后的命令流文件,完成对气缸套温度场的分析。因此,实现ANSYS软件与Java程序的对接非常重要。以某型号缸套为例,接口程序主要代码如下:

//修改气缸套材料某参数

stringBuilder.append(“DENS-1=”+material[3]);

//用修改后的命令流替换之前的命令流

AtglFileReadandWrite.replaceTxtByStr(oldM, sb.toString(), commandDir-1);

//批处理文件地址

CommandFile=“C:\Cylinder\Temperature\commandFile\Wet.dat”;

//执行批处理文件

Runtime.getRuntime().exec(CommandFile);

3 系统应用实例

以某型号干式气缸套为例,分别对转速为2 000、3 500 r/min的发动机做气缸套温度场分析。2种工况的分析过程和参数设定相同,包括定义缸套尺寸参数和材料属性参数、施加边界条件、进行有限元分析、验证系统分析结果的准确性。

3.1 定义尺寸和材料属性

气缸套尺寸和材料属性参数如图3所示。

图3 气缸套尺寸和材料属性参数界面

3.2 施加边界条件

在边界条件施加之前,需要先进行确定。第三类边界条件可以确定气缸套的热负荷边界条件,在轴向方向上,平均温度和平均对流换热系数在缸套内表面分布规律[7]如下:

(1)

(2)

其中:β=h/s,0≤β≤1;k1=0.537(S/D)0.24,k2=1.45k1;h为缸套轴向距气缸顶部距离;αm(0)为燃料平均放热系数;Tres(0)为燃料的综合平均温度。

行程外的对流系数和温度由发动机曲轴箱内的工况确定。其中，对流系数取值与发动机曲轴箱内对流系数相同,冷却液温度80 ℃,假设缸体与气缸套之间热传导优良,为完全导热,热传导系数取1,则边界条件见表2所列。

表2 边界条件

3.3 验证结果

所有数据输入完成后系统进行分析计算,由系统分析出的2种工况下气缸套温度场结果云图如图4所示。

由图4可知:发动机转速为2 000 r/min时最大温度约257.9 ℃,最小温度约103.5 ℃;转速为3 500 r/min时的最大温度约304.3 ℃,最小温度约111.3 ℃。

(a) 2 000 r/min工况

(b) 3 500/min工况图4 2种工况下气缸套温度场分布云图

由仿真分析结果发现，2种工况温度分布趋势均是最大温度位于支撑肩附近,且顺着气缸套中轴线往下渐渐变小,直至气缸套裙部附近达到最低点。

在实际应用中,ANSYS软件中的Workbench也常用于有限元分析,用Workbench对2种工况下的同一气缸套进行温度场分析。在三维建模软件中创建好气缸套缸体模型后导入到Workbench中,与使用本文系统分析时一样,定义相同的材料属性参数、边界条件等[8]。

由Workbench分析得出：2 000 r/min工况的最大温度约257.9 ℃,最小温度约114.2 ℃;3 500 r/min工况的最大温度约313.6 ℃,最小温度约117.2 ℃。2种工况下的气缸套温度分布规律与本文系统分析的规律相同,其中2 000 r/min工况的温度场分布如图5所示。

图5 Workbench分析得到的2 000 r/min工况温度场分布

本文系统与Workbench的温度场分析结果见表3所列。其中：工况1代表2 000 r/min;工况2代表3 500 r/min。由图6和表3可知,本文系统与Workbench分析出的2种工况最大温度误差只有2.42%和3.06%,温度场分布规律一样。由此可见，本文系统不但可以提高效率且操作简单,还能保证分析结果的可靠性。