【doc】新型二冲程微型摆式内燃机中心摆温度场的有限元分析

【doc】新型二冲程微型摆式内燃机中心摆温度场的有限元 新型二冲程微型摆式内燃机中心摆温度场 的有限元分析 第12期 2006年12月 机械与制造 MaehinervDesign&Manufacture一87一 文章编号:1001—3997(2006)12—0087—03 新型二冲程微型摆式内燃机 摆温度场的有限元分析? 中I 郭志平吴庆亮孙双贺向新(内蒙古工业大学机械工程学院.呼和浩特010051) Finiteelementanalysisofthetemperaturefieldforthe centerswingofthenoveltwo—-strokemicrofreeswingpistonengine GUOZhi—ping,WUQing—liang,SUNshuang,HEXing—xin (MechanicalEngineeringInstiuteofInnerMongoliaPolytechnicUniversity,Huhhot01005 1,China) ,.....'.一…'.'.'.''...一一.….'...….一………'一'''.'.'.'.'….…………'.…'.'.….'.'… 0Y 【摘要】在新型二冲程微型摆式内燃机(MFSPE)的设讦及完善过程中,温度场分析占有重要地3 0位.从数值计算所得的燃烧室周期温度曲线中,均匀提取32个载荷点,基于ANSYS软件按32个栽; 0荷步进行载荷施加及求解分析,得出了中心摆各载荷步的温度场等效云图,并对部分有代性的图3 0 :从温度场的角度进行分析,提出了中心摆改进设计建议.3 2关键词:微型摆式内燃机;中心摆;温度场;有限元分析2 2【Abstract】 Temperaturefieldanalysisisveryimportantinthecoursedesignandperfectionofthe3 2NovelTwo—strokeMicroFreeSwingPistonEngine.Thirty— twotemperatureloaddotsaredrawnen3 ifiomthecycletemperaturecurveplottedinthenumbervaluecalculatingstage.WinthANSY Ss加0re,2 2thirty— twoloadstepsaledefinedandsolvedandhavedrawnthetemperaturefieldcloudchartofallloa d0 2stepsofthecenterswing,thenhasanalyzedtothekeypicture,putforwardsomeexistingprobl emsand,2 iimprovedsuggestionfurther.0: iKeywords:MFSPE;Centerswing;Temperaturefield;FEA0 ?o?..o.々.々...6?o?々?.'o-o-o?々.口?..o.....eo.o.....o.o.o....-o'々.々..'々.o-o.o'o-o-,々...6.6...o.o...e-o.o-o.口.....4. 中图分类号:TK441.7文献标识码:A 作为微便携式发电系统的动力源一新型二冲程微型摆式内燃机 MFSPE(MicmFreeSwingPistonEngine),(专利号 ?来稿~:2006-04—19?基金项目:内蒙古自治区自然科学基金重点项日(编 号:200508010702) 准JASO,采用CFT一02型弯曲疲劳试验机进行车轮的极限疲劳 试验,结果如表2所示.由上述数据可见: (I)应力幅对疲劳寿命的影响比平均应力大.结构的疲劳 寿命随着应力幅的增大而缩短,因此有效控制应力幅值是提高 车轮疲劳寿命的途径之一. (2)预测的疲劳寿命值普遍高于实际试验寿命值.因为结 构疲劳寿命的预测是建立在理想状态下力学仿真分析基础上, 忽略了实际制造过程中产生的疏松,针孔等现象,此类缺陷会削 弱结构的力学性能,导致疲劳强度的降低. (3)预测危险点的位置与试验裂纹出现区域一致,说明该方 法确定疲劳裂纹易发区域的有效性. (4)同,个规格不同结构的车轮,其疲劳性能可以相差甚 远,由此可见结构优化对提高结构疲劳强度的有着很大的影 响. 5结论 有限元方法预测的结果与实际试验结果相比较,其损伤分 布趋势基本一致,预测的疲劳寿命也较为接近实测寿命,说明此 方法用于汽车车轮的疲劳寿命预测是可行的,为设计改进提供 了理论依据和定量分析,可缩短试验周期.降低开发和试验费 用.本文的研究基于弯曲疲劳试验,但也适用于径向疲劳试验 寿命的预测.若需要进一步预测车轮在实际工作中的疲劳寿 命,需具备反映车轮普遍受力情况的载荷谱,通过上述方法计算 出每级应力单独作用时车轮的疲劳寿命.然后采用累积损伤法 则计算出累积损伤寿命. 参考文献 1RiesderM,DeVriesR1.Finiteelementanalysisantistructuraloptimization ofvehiclewheelsSAEtechnicalpaper830133.Warmndale.Pennsylvama, U.S.A.:SocietyofAutomotiveEngineer.Ioc.19831—18. 2王霄锋.汽车车轮结构强度分析【J】.机械强度.2002.24(1);066— 069. 3崔胜民,杨占舂.汽车车轮疲劳寿命预测方法的研究【J1.机械强 度.2002,24(4):617—619.631. 4赵少汴.抗疲劳设计【M】.北京:机械工业出版社.1994:41120. 5张斌.汽车车轮有限元分析与抗疲劳设计【D】.哈尔滨:哈尔滨工 业大学.2003. … 8{;-郭志平等:新型二冲程微型摆式内燃机中心摆温度场的有限元分析第12期 02117081.9),结构如图1所示,内燃机以摆动形式输出动力, 结构简单,体积小巧.进,排气正时由中心摆的摆动位置来控 制.增强了系统的可靠性.该机的设讦能力为摆动频率为50H, 最大输出功率47W….MI,'SPE结构的核心是扇形腔和放置在其 }的中心摆,中心摆在扇形腔内的相对运动造成其封闭容积的 变化,以像漳能量的传递.中心摆将缸体分成A,B,c,D四个 腔其叶tA,13两腔为燃烧室,c,D两腔为预压缩室随着中心摆 的周期性摆动,燃烧室交替完成进气,压缩,作功,排气四个过 程.中心摆和缸体所受的热负荷不断地发生周期性变化.该热 负荷将列MFPSE系统的寿命和可靠性有重要影响.所以探讨中 心摆硼缶.体的温度场分布规律,对改进和优化设计这一新型动 力源有茬重要意义.本文主要针对中心摆的温度场展开分析. 排气口 图1内燃机系统剖面图(单位.-mm) Fig.1SectionchartoftheMFSPE(unit:mil1) 1中心摆材料性能参数 中心援材料采用2Cr13,其性能参数如表I: 表l中心摆材料性能参数 Tak1MatcriMcharacteristicparametelrsofthecenterswing 2基于Ansys的中心摆温度场分析 假设条件:各燃烧室和预压缩室温度能够达到瞬时均匀;中 撰模型结构简化:分析时将进气口简化掉,由于进气口部分的 盥崖相鞍低,所以这种简化不会对整体温度场有太大影响. 妊用期温度曲线中,温度随时间不断变化,故而需按瞬态热分析 方法分析 2.1边界条件及载荷 摆两个平面端面按照缸体的实验平均温度施加约 对中-- 束即扎5O.c作为中心摆的边界条件.根据对MFPSE工作过 稃数值汁箅结果,从燃烧室周期温度曲线(图2)中,均匀提取32 个温度值作为裁荷点,如表2所示.由于c,D两预压缩室温度 变化幅度=ff】对较小,所以在每步的加载中,其温度按定值给出. 根据讦算结果,取C,D两腔的平均温度为70.c. 2.2建模并划分网格 定义树料属性,并定义八节点热分析单元SOLID70;建立 3一D模型并进行跌射网格划分.由于中心摆是上下左右对称 的,所以可先取其四分之一,划分完网格后再做镜像处理,完成 整个摆的网格划分. 图2燃烧宣周期温度曲线 Fig.2Cycletemperaturegraphofthecombustion 表2温度载荷值 Tab.2TemperatureloadVO]Ue8 2.3加载求解 按表2所列周期载荷点,在ANSYS中定义32个载荷步,其 上每个载荷步又分成了四个载荷子步,以荷步文件批求解法进 行瞬态温度求解分析. 中心摆在每瞬时的载荷加载位置为该时刻中心摆上与缸体 组成的封闭腔内的面,其面积大小随相位角的变化而不断变 化.所以每一个载荷步的加载位置较之前一步都会有所变化, 载荷步的定义是本分析任务中最繁的部分,运用命令流方法相 对要简单些.网格划分如图3,图4是中一1'2摆第二载荷步的载荷 施加情况. No.12 Dee.2006机械设计与制造一89一 图3巾心摆网格模型图4第二步载荷 Fig.3CenterswingnetmodelFig.4Thesecondstepload 3中心摆温度场分析 量篡 图5第一载荷步温度场云图 Fig.5Tmpemturefieldcloudchartforthefirstloadstep 第一载荷步(0—5?):图5中左右两图分虽为中心摆第一 载荷步两个不同视角时的温度场云图.由图可以看出,在这样 的温度约束下,摆的载荷施加位置,除靠近约束面的小部分外, 其它部分为等温面.各等温面的周期温度梯度曲线与各室的周 期温度曲线(图2)相同.摆的A室等温面虽然显示了较高的温 度,但仅在表面,等温线并没有延伸到摆的中心,未对中心摆的 整体温度场造成大的影响. 由第一至第十五载荷步.A室温度皆高于B室,其温度场云 图都与每一载荷步类似.不再赘述.值得一提的是.在第二载荷 步,A室出现了一个周期中的最高温2386~C.由温度场等温线 云图可以看出,除了A室载荷施加位置表面温度较高外,其余 部分温度在50—570.C之间,这个温度是中心摆正常工作所能 承受的.而载荷施加面的高温持续时间也很短,约为0.O09s,不 会对表面造成融蚀损害. 第十六载荷步(75,77.14?)上半周期结束.如图6所示为 第十六载荷步温度场云图.从第二载荷步开始至上半周期结束. A室温度不断降低.而B室温度不断升高,在每个载荷步中.由B 室到A室都会形成一个温度梯度.在中心摆厚度一半的平面上, 建立一条以中心摆中心为圆心,始自B室表面,止于A室表面, 半径稍长过工艺孔的圆孤路径.并沿此路径画出中心摆第十六载 荷步时的温度梯度图,如图7所示.下半周期B室温度皆高于A 室,其各载荷步温充梯度图与图6类似,而上半周期温度梯变化 趋势则与此图相反.由图可以看出,在此过程中,中心摆大部的温 度都在其低于6oo口C正常工作范围内.只是在工质温度较时,比 如00.00842s的A室及0.0097—0.0187%的B室所对应的摆 的表面产生瞬时高温,该高温通过温度梯度迅速扩散,很快降到 所能承受的热负荷范围之内.由计算可知中心摆在一个周期之内 的平均温度为:510~C. 图6第十六载荷步温度场云图 Fig.6Temperaturefieldcloudchartforthesixthloadstep 图7第十六载荷步温度梯度图 Fig.7Temperaturegradegraphforthesixthloadstep 4结论 通过对中心摆的温度场分析可以看出,温度约束施加位置, 其温度场显得比较简单,高温场向内部扩散较少,高温部分基本 仅限于特定的等温表面.并高温时间持续较短,低于0.01s,摆 的性能不致受太大影响,另外.为了增加摆和缸壁问的密封性, 可利用中心摆在载荷施加面产年瞬时高温的特性,在摆在两头 添加隔热槽,如图1中的摆所示.当然以上的所有分析结论,都 旭在温度的角度上考虑的,实际中还要权衡其它一些因素.如应 力,变形等. 参考文献 1郭志平.叶佩青.张仕民,微型摆式发动机的总体设计【J】.小型内 燃机与摩托车.2002,31(4), 2张仕民.郭志平等.微型/小型内燃机的研究【J】.小型内燃机与摩 托车,2004(4). 3汪劲松.张仕民.叶佩青.郭志平等.一种可压缩比的微型摆式内 燃机.专利号:02117081.9. 4ZHANGShimin,WANGJinsong,GUOZhipingNowdMicroFree—Piston SwingEngineandhsFeasibilityValidationTsinghuaScieneandTeehnolgy 2005. 5张朝晖,范群波.贵大勇等.ANSYS8.0热分析教程与实例解析【M】, 北京:中国铁道出版社,2005.