張 宇, 張進軍, 李斌茂

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UUV特種發(fā)動機活塞的熱-固耦合分析

張 宇, 張進軍, 李斌茂

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

為了研究溫度載荷和機械載荷對活塞應(yīng)力應(yīng)變的影響, 基于有限元方法, 采用UG和ANSYS Workbench軟件, 建立了無人水下航行器(UUV)特種發(fā)動機活塞3D有限元模型。在ANSYS Workbench中對活塞進行了熱分析、靜力學分析及熱-固耦合分析, 得到了活塞溫度場、應(yīng)力場及應(yīng)變的分布。結(jié)果表明, 受溫度場的影響, 熱-固耦合中活塞的應(yīng)力、應(yīng)變明顯比靜力學分析中的大, 且出現(xiàn)的位置也不盡相同。同時, 在活塞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析中, 活塞頭部易產(chǎn)生裂紋。仿真分析結(jié)果與試驗測試結(jié)果有較好的一致性, 為活塞的設(shè)計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)和參考。

無人水下航行器; 特種發(fā)動機; 熱-固耦合; ANSYS Workbench軟件; 熱分析; 靜力學分析

0 引言

活塞是無人水下航行器(unmanned underwater vehicle, UUV)特種發(fā)動機的重要組成部分之一, 對發(fā)動機性能有直接影響?；钊诠ぷ鲿r, 溫度場與應(yīng)力場耦合作用, 使活塞的受力情況變得更為復(fù)雜。因此, 對活塞進行熱-固耦合仿真研究就顯得極其重要。

在以往的研究中只是對活塞進行了單一的分析[1], 或者是雖然對活塞進行了熱分析和機械應(yīng)力分析, 但卻沒有將熱力學和機械應(yīng)力有效結(jié)合起來[2], 導(dǎo)致分析結(jié)果的不完整和不可信。本文基于有限元法, 利用UG、ANSYS Workbench對活塞進行了熱分析及機械應(yīng)力分析, 并在此基礎(chǔ)上進行熱-固耦合分析, 比較分析了仿真結(jié)果, 得到的結(jié)論為活塞的設(shè)計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)和參考。

1 活塞有限元模型建立

UUV特種發(fā)動機的活塞火力岸和環(huán)岸呈階梯狀, 火力岸、環(huán)岸、裙部和氣缸套之間的間隙大小也不一樣, 將活塞分為如圖1所示的幾個不同區(qū)域。區(qū)為活塞內(nèi)腔,區(qū)為活塞頂面,區(qū)為活塞第一環(huán)岸區(qū),區(qū)為活塞火力岸,區(qū)為活塞第一環(huán)槽區(qū),區(qū)為活塞裙部。當活塞受熱達到穩(wěn)態(tài)時, 活塞的傳熱情況為

活塞有限元模型的生成主要有3個方面, 分別是材料特性定義、有限元網(wǎng)格劃分及邊界條件定義?；钊牧先♀伜辖?。同時對活塞結(jié)構(gòu)做如下假設(shè): 1) 活塞材料為均勻的各向同性材料; 2)活塞結(jié)構(gòu)是線性彈性的; 3) 系統(tǒng)為無阻尼系統(tǒng)。

圖1 活塞結(jié)構(gòu)及傳熱示意圖

1.1 有限元網(wǎng)格的生成

傳統(tǒng)的計算機輔助工程(computer aided engineering, CAE)軟件在設(shè)計研發(fā)中存在很多不足, 首先是對分析人員的要求很高, 主要是有限元的概念, 與相關(guān)行業(yè)功能結(jié)合較少, 其次是數(shù)據(jù)接口與共享不方便, 處理模型的功能較弱, 再次是傳統(tǒng)的CAE軟件主要在設(shè)計后期使用, 而不是貫穿整個設(shè)計過程。

ANSYS Workbench是一種全新的界面操作系統(tǒng), 以模塊單元搭建整個工程分析流程, 更加人性化, 建模與網(wǎng)格劃分更加方便快捷, 并且融合了ANSYS系列產(chǎn)品, 使數(shù)據(jù)實現(xiàn)無縫傳遞以及共享, 為仿真和設(shè)計提供了全新的平臺, 其求解模塊保證仿真的通用性和精確性, 全面提高了工程問題的仿真及設(shè)計效率。

本文利用ANSYS Workbench, 在不影響活塞基本性能的前提下對模型進行合理簡化, 然后將簡化后的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中, 采用187號單元通過控制單元大小, 對活塞實體進行網(wǎng)格劃分, 如圖2所示, 其中包括37 322個單元及64 876個節(jié)點。

圖2 活塞實體有限元網(wǎng)格模型

1.2 熱分析有限元模型

在ANSYS Workbench中, 工程熱分析的實質(zhì)就是求下述方程的特征解[3]

在穩(wěn)態(tài)熱分析中, 任一節(jié)點的溫度不隨時間變化, 穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為

在熱分析有限元模型中, 其邊界條件即為熱傳導(dǎo)邊界條件。

熱傳導(dǎo)邊界條件唯一要確定的是彈性連續(xù)體的溫度分布, 必須知道該連續(xù)體邊界上的邊界條件[4]。對于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題, 3類邊界條件分別為溫度邊界條件、熱流邊界條件及熱交換邊界條件。其中熱交換邊界條件的公式為

1) 活塞頂部和燃氣側(cè)的換熱邊界條件

2) 氣缸套和冷卻水的換熱

3) 活塞外側(cè)和冷卻水的換熱邊界條件

4) 活塞內(nèi)腔和潤滑油的換熱邊界條件

表1 計算數(shù)據(jù)

1.3 靜力分析有限元模型

在ANSYS Workbench中, 動力學分析的實質(zhì)就是求解下面運動方程的特征解

忽略所有與時間相關(guān)的選項, 于是有靜力分析的運動方程

2 溫度場及應(yīng)力計算與分析

2.1 活塞溫度場分析

圖3 活塞的溫度場分布

2.2 活塞受力分析并求解

對活塞進行靜力分析, 研究其在固定載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng), 為下一步耦合分析做準備。

圖4 活塞應(yīng)力分布圖

圖5 活塞應(yīng)變分布圖

活塞應(yīng)變位移、等效應(yīng)力的最值如表2所示。

表2 應(yīng)變及應(yīng)力的最值

3 活塞熱-固耦合分析

熱-固耦合計算是在熱分析和靜力分析的基礎(chǔ)上進行的, 其實質(zhì)是將熱分析結(jié)果作為邊界條件之一加載到靜力學分析模型中, 從而得到綜合了熱應(yīng)力的結(jié)構(gòu)響應(yīng)[7]。

結(jié)構(gòu)在加熱或冷卻時, 即便溫度變化均勻, 但有其他約束的存在, 或者有不同的熱膨脹系數(shù), 由于熱脹冷縮產(chǎn)生變形, 而變形受到某些限制, 如位移受到約束或施加相反的力, 或者材料不同而形成不均勻變形, 則結(jié)構(gòu)中就產(chǎn)生了熱應(yīng)力。熱應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響是不能被忽略的, 否則會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的偏差。

本文基于ANSYS Workbench, 首先進行穩(wěn)態(tài)熱分析, 即建立熱單元模型, 施加熱載荷, 求解并查看結(jié)果, 然后將熱分析單元加入機械應(yīng)力分析模塊, 即將熱分析的結(jié)果作為約束添加到靜力分析當中。其分析流程如圖6所示。

圖6 熱-固耦合分析流程圖

活塞應(yīng)力等值線如圖7所示。應(yīng)力分布基本呈軸對稱, 由于受到溫度場及約束的共同影響, 最大應(yīng)力出現(xiàn)在活塞頭部邊緣及其內(nèi)表面, 為258.7 MPa, 活塞頂面受力相對小得多, 為43.2~129.3 MPa, 且應(yīng)力等值線區(qū)域呈圓形擴散, 第一環(huán)岸和第一、二環(huán)槽處應(yīng)力也比較大, 活塞裙部受力小的多。由于模型中忽略了邊倒圓, 活塞頭部內(nèi)表面與裙部內(nèi)表面連接圓周處以及活塞裙部邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中。

圖7 活塞熱應(yīng)力分布圖

由于活塞頭部溫度梯度很大, 造成其應(yīng)力也比較大, 從而在該部分容易產(chǎn)生材料疲勞, 出現(xiàn)裂紋、燒蝕等現(xiàn)象, 特別是在頭部邊緣等應(yīng)力大的位置。這與實際使用中的情形是相符的。

活塞應(yīng)變等值線如圖8所示, 活塞變形基本呈軸對稱分布; 形變分布與應(yīng)力分布基本一致, 最大變形位置與最大應(yīng)力出現(xiàn)位置基本一致, 最大形變量為0.001 459 5 mm?；钊^部內(nèi)表面與裙部內(nèi)表面連接圓周處以及活塞裙部邊緣應(yīng)力集中, 形變大?；钊詈戏治鰬?yīng)變位移、等效應(yīng)力的最值如表3所示。

圖8 活塞熱應(yīng)變分布圖

表3 求解數(shù)值

與靜力學分析中得到的結(jié)果比較, 熱-固耦合分析結(jié)果有明顯的不同: 應(yīng)變及應(yīng)力值明顯增大, 同時應(yīng)力、應(yīng)變的分布也不相同。而兩者分析的條件差別只在于是否考慮溫度場的影響, 可見, 受熱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析中, 溫度的影響不應(yīng)被忽略。

4 結(jié)論

本文基于有限元理論, 利用UG、ANSYS Workbench建立了UUV特種發(fā)動機活塞的3D模型, 進行了熱分析、機械應(yīng)力分析, 并在此基礎(chǔ)上進行了熱-固耦合分析, 由分析結(jié)果得出以下結(jié)論。

1) 熱-固耦合的變形圖中, 由于受溫度場的影響, 活塞的應(yīng)力、應(yīng)變明顯比靜力學分析中的大, 且出現(xiàn)位置也不相同, 可見, 在活塞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析中, 溫度的影響不應(yīng)忽略。特別是為提高發(fā)動機輸出功率而使氣缸中工質(zhì)溫度進一步提高時, 活塞失效機率增大, 從而導(dǎo)致發(fā)動機失效。

2) 活塞各部分變形未超過其許用間隙, 不會產(chǎn)生拉缸。由熱-固耦合圖可知, 活塞頭部變形梯度較大, 而裙部變形較小, 因此, 活塞頭部和環(huán)岸區(qū)及裙部的階梯型的設(shè)計是合理的。

3) ANSYS Workbench采用模塊化的設(shè)計和分析方式進行有限元計算, 人機互動簡單易行, 計算精度及效率高。

[1] 袁鵬, 高晟耀. 對置式凸輪發(fā)動機活塞熱分析[J]. 魚雷技術(shù), 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.

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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.

張 宇(1987-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水下航行器動力推進技術(shù).

(責任編輯: 陳 曦)