發(fā)動機活塞熱應(yīng)力分析的案例
某型通航發(fā)動機活塞溫度場和熱應(yīng)力的初分析
1、分析目的
活塞式通航發(fā)動機的活塞屬于高溫部件，在發(fā)動機開發(fā)過程中活塞的溫度場和熱應(yīng)力是必須要進行的分析項目。本案例是由于某型通航發(fā)動機為實現(xiàn)壓縮比增加而須對其活塞進行熱校核的簡要分析。
2、模型說明
活塞如圖1所示，其材料為BH122A，材料材料如表1所示。
圖1 活塞的三維模型
表1 BH122A材料屬性
3、溫度場分析
欲得到活塞的溫度場，需要知曉活塞的熱邊界條件，一般而言，活塞的熱邊界條件比較復(fù)雜，活塞頂部與高溫燃氣直接接觸，裙部與缸套接觸，而底部還有潤滑油進行冷卻。所以，如果要得到活塞準確的換熱邊界，往往需先進行燃燒仿真分析、噴油冷卻分析、活塞動力學分析等一系列分析項目，由于本案例是活塞的初步分析，故而其熱邊界取同排量發(fā)動機的經(jīng)驗值，具體取值如表2所示：
分析計算采用了SimSolid軟件，在SimSolid中施加的活塞熱邊界如圖2所示。得益于SimSolid軟件的無網(wǎng)格技術(shù)，在SimSolid中設(shè)置好材料和熱邊界（其中絕熱邊界在軟件中設(shè)置為熱流為0W/m2）后即能計算，并快速得出結(jié)果，得到的活塞溫度場分析結(jié)果如圖3所示。最大溫度為352.5℃，未超過材料許用溫度值。
圖2 在SimSolid軟件施加熱邊界
圖3 活塞的溫度場計算結(jié)果
3、熱應(yīng)力分析
在SimSolid軟件添加一個結(jié)構(gòu)線性分析，并將溫度場分析結(jié)果加載到活塞上，將活塞銷孔進行約束后進行計算，得到熱應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。最大應(yīng)力為23.35MPa，且位于銷孔內(nèi)，說明最大應(yīng)力并非來自熱應(yīng)力，而是因約束引起的應(yīng)力。
圖4 活塞的熱應(yīng)力計算結(jié)果
4、總結(jié)
（1）、由于活塞的熱邊界來自經(jīng)驗值，并非經(jīng)過CFD仿真分析后所得，所以溫度和應(yīng)力的分析結(jié)果有待進一步核實、修正。
展開 基于SimSolid的某型通航發(fā)動機活塞溫度場和熱應(yīng)力的初分析
技術(shù)鄰用戶：炫炫
1、分析目的
活塞式通航發(fā)動機的活塞屬于高溫部件，在發(fā)動機開發(fā)過程中活塞的溫度場和熱應(yīng)力是必須要進行的分析項目。本案例是由于某型通航發(fā)動機為實現(xiàn)壓縮比增加而須對其活塞進行熱校核的簡要分析。
2、模型說明
活塞如圖1所示，其材料為BH122A，材料材料如表1所示。
圖1 活塞的三維模型
表1 BH122A材料屬性
3、溫度場分析
欲得到活塞的溫度場，需要知曉活塞的熱邊界條件，一般而言，活塞的熱邊界條件比較復(fù)雜，活塞頂部與高溫燃氣直接接觸，裙部與缸套接觸，而底部還有潤滑油進行冷卻。
展開 基于Workbench2020的活塞熱應(yīng)力分析 ￥20
" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202503/attachment/6f75cc8220084c4081b6efb994ce3d04.png" style="display: inline-block;" data-regular="true"><img src="https://img.jishulink.com/202503/attachment/6f75cc8220084c4081b6efb994ce3d04.png"></figure></figure><p><br></p><p>附件為piston.rar，里面包括熱應(yīng)力.wbpj。
展開 發(fā)動機缸內(nèi)燃燒解析（活塞固熱耦合）
發(fā)動機專用熱流體分析軟件Converge，不僅能模擬發(fā)動機缸內(nèi)流動、燃料噴霧、燃燒，而且通過跟缸內(nèi)流體部分的熱計算進行耦合，也可以進行固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)解析。
這是活塞的固體（金屬）部分的熱傳導(dǎo)解析和發(fā)動機缸內(nèi)流動、燃料噴霧、燃燒解析同時耦合計算的案例。以往的活塞熱傳導(dǎo)解析，大部分案例中，缸內(nèi)側(cè)的邊界條件都是一樣的。像本案例這樣，通過同時求解缸內(nèi)的燃燒狀態(tài)，可以適時提供更真實的溫度邊界條件，進而獲得更高精度的熱傳導(dǎo)解析。
展開 
基于Simsolid的發(fā)動機活塞結(jié)構(gòu)分析
活塞結(jié)構(gòu)對發(fā)動機的性能起著關(guān)鍵作用，需要考慮其強度，振動以及疲勞性能等。此次采用Simsolid對活塞結(jié)構(gòu)進行模態(tài)和強度分析。
1 導(dǎo)入模型以及前處理
Simsolid支持絕大多數(shù)的CAD軟件格式導(dǎo)入模型，非常方便！導(dǎo)入模型后會自動開始模型檢查和接觸識別，非常簡便智能，節(jié)省了很多時間。導(dǎo)入后也可以以任意顏色顯示不同的part。
在Simsolid中不需要做幾何清理和劃分網(wǎng)格，這個不僅僅對結(jié)構(gòu)工程師來說方便，對仿真人員來說，要快速得到結(jié)果也是非常方便的。隨便拿一個part在abaqus中看到這么多小邊小面，我就心累啊。
2 附屬性施加載荷約束
Simsolid自帶材料庫，基本的分析夠用了，還有少量的非線性材料。用戶自己也可以通過setting--> Material database 來修改材料。附材料的操作也非常簡便，直接選擇材料，點選對應(yīng)的part就可以了。
Simsolid的圖標也很小清新和有辯識性，看到圖標基本知道干什么的，不知道的情況下，鼠標挪到圖標上面，會自動彈出圖標的解釋信息。施加載荷也是通過點選的方式來完成。
3 模態(tài)分析
設(shè)置完成后就可以進行相應(yīng)的計算了 。首先進行模態(tài)分析，設(shè)置模態(tài)的階數(shù)，直接點擊solve圖標即可，計算也很快就完成了。前6階的模態(tài)結(jié)果如下表，可方便的查看對應(yīng)的模態(tài)圖以及動畫。
模態(tài)階數(shù)
模態(tài)（Hz）
1
323.58
2
394.75
3
711.14
4
2557.3
5
2603.6
6
3551.8
4 結(jié)構(gòu)強度分析
如果需要修改接觸類型，可在對應(yīng)的接觸對上右鍵修改。
展開 三缸發(fā)動機活塞運動受力分析（轉(zhuǎn)載）
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p>在往復(fù)活塞式發(fā)動機中，連桿將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為往復(fù)運動。連桿始終處于高應(yīng)力狀態(tài)，負載隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而增加。通常來說，發(fā)動機中有一個零件故障就需要更換整個發(fā)動機。因此，發(fā)動機所有零件的設(shè)計都至關(guān)重要，以使它們在發(fā)動機運行壽命期間不會發(fā)生故障。連桿是其中的關(guān)鍵部件，需從疲勞角度進行分析。使用 Basquin 高周疲勞準則預(yù)測疲勞壽命。</p><p>本例基于comsol“多體動力學模塊”中的“三缸往復(fù)式發(fā)動機”模型，其中發(fā)動機的關(guān)鍵部件被模擬為柔性體，其余部件被模擬為剛體。各部件通過不同類型的關(guān)節(jié)進行連接。該技術(shù)顯著減小了模型尺寸，同時保持了裝配中的力平衡。
展開 基于MeshFree的活塞熱傳遞分析
活塞熱傳遞分析.rar
1.背景
當物體與周圍環(huán)境存在溫差時，熱量就會從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞，這就是熱傳遞現(xiàn)象。熱傳遞分析可以分為穩(wěn)態(tài)熱傳遞分析和瞬態(tài)熱傳遞分析。通過MeshFree對活塞進行了熱傳遞分析。
2.參數(shù)設(shè)置
分析類型選擇熱傳遞，導(dǎo)入piston.X_T文件，穩(wěn)定狀態(tài)是指物體和周圍環(huán)境處于相同溫度。在這種狀態(tài)下，引起傳熱的條件、傳熱速率和溫度分布是均勻的，并且不隨時間變化。非線性穩(wěn)態(tài)傳熱分析是一種分析穩(wěn)態(tài)傳熱和溫度分布的方法。在這種情況下，輸入材料參數(shù)和邊界條件是與溫度相關(guān)的。
2.1固定溫度設(shè)置
固定溫度指定一個不變的溫度值，適用于溫度已知的地方。固定溫度屬于傳熱分析中的邊界條件。指定固定溫度的部件，溫度總是不變的。
2.2對流設(shè)置
固體表面與周圍流體之間的熱交換，屬于傳熱分析中的邊界條件，用對流換熱系數(shù)來表示。
3.結(jié)果查看
溫度
溫度梯度結(jié)果
熱流量結(jié)果
展開 案例分享：氣缸活塞的熱機疲勞分析
氣缸活塞是許多機械設(shè)備，如內(nèi)燃機、壓縮機等中的關(guān)鍵組成部分。它們長期受到機械載荷和熱載荷的周期性作用，特別是在高性能和高負載的應(yīng)用中。由于溫度的大幅度波動和復(fù)雜的載荷條件，活塞結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生疲勞損傷，這稱為熱機疲勞。熱機疲勞是一種由于熱載荷和機械載荷共同作用導(dǎo)致的損傷機制。在活塞中，溫度可能會迅速改變，導(dǎo)致材料熱膨脹和收縮。與此同時，活塞還承受著來自氣缸內(nèi)壓力的機械載荷。這種復(fù)合效應(yīng)可能導(dǎo)致活塞材料的微觀裂紋產(chǎn)生和擴展，最終可能導(dǎo)致活塞的斷裂和失效。
為了有效分析和預(yù)測氣缸活塞的疲勞情況，采用熱機疲勞模塊進行了以下分析：
1、載荷模擬：創(chuàng)建一個綜合了機械和熱載荷的真實工作環(huán)境模型，考慮活塞的工作周期和溫度波動。
2、材料特性分析：采用多溫度S-N曲線對不同溫度下的疲勞特性進行刻畫。
3、疲勞損傷預(yù)測：運用溫度插值方法來預(yù)測可能的疲勞損傷和壽命，確定潛在的故障區(qū)域。
氣缸活塞疲勞壽命云圖
了解更多疲勞分析方案：
http://jsform2.com/web/formview/66390a7575a03c2416365f4f
展開 針對某袋除塵器整體進行ABAQUS有限元分析，考慮九項載荷工況，分析設(shè)備靜應(yīng)力、熱應(yīng)力、變形及熱膨脹數(shù)值 ￥15
某袋除塵殼體結(jié)構(gòu)選型如下：
箱體板厚5mm
箱體角柱：角鋼L90*56*8
箱體加強筋：角鋼L90*56*6
花板厚6mm
花板下加強筋：橫向為扁鋼80*6，縱向為扁鋼100*6
箱體中間支撐管：鋼管Φ60*5
圖1 袋除塵殼體結(jié)構(gòu)示意圖
2、 建立模型
按照殼體結(jié)構(gòu)示意圖建立幾何模型如圖2所示。
圖2 建立幾何模型
三、約束條件及載荷
立柱底部約束如圖3所示。
圖3 立柱底部邊界約束
載荷：
（1）自重（軟件考慮）；
（2） 頂部載荷：檢修載（按400kg/m2）；
（3） 花板處載荷：濾袋、濾籠、濾袋積灰（積灰厚度按5mm）共3.06t；
（4） 灰斗積灰重：滿灰9.6t；
（5） 保溫載荷：按25kg/m2；
（6） 負壓11000Pa或正壓8000Pa兩種工況分別施加；
（7） 煙道及檢修平臺載荷：上煙道（出氣端）900kg，下煙道（進氣端）
400kg，上中下三層檢修平臺檢修載荷均為400×2.85×3.25=3705kg。
注：此項載荷殼體和鋼支架各占一半。
（8） 灰斗卸灰口載荷（方向按照幾何模型坐標系）：FX=4700N，F(xiàn)Y=3500N，F(xiàn)Z=-4700N，MX=3690N.m，MY=4800N.m，MZ=5540N.m。
（9） 頂部牛腿處檢修荷載：單個牛腿處載荷為1t，頂板為260×260，轉(zhuǎn)化為面壓添加，面壓為1×10×1000/260/260=0.148N/mm2。
下圖4所示為載荷添加圖示：
（a）負壓11000Pa （b）正壓8000Pa （c）花板處載荷
展開 ansys18.2焊接過程分析瞬態(tài)熱分析熱應(yīng)力分析 ￥8.88
ansys18.2焊接過程分析
移動熱源通過插件實現(xiàn)
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例
1、一個金屬懸臂梁，一端固支，初始溫度20℃，溫度突變到120℃時由于膨脹及邊界約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力，進而引起振動，這種振動就是熱誘導(dǎo)振動。
2、熱誘導(dǎo)振動分析的成功應(yīng)用不多見，在哈勃太空望遠鏡曾因熱誘導(dǎo)振動問題而發(fā)生故障。現(xiàn)在對航天器的分析中，熱誘導(dǎo)振動屬于難點和重點。國內(nèi)曾有人對衛(wèi)星天線做過準靜態(tài)熱誘導(dǎo)振動分析，也有人對空間站太陽能電池陣的桅桿做過基于模態(tài)的熱誘導(dǎo)振動分析（可能類似Abaqus中的線性攝動分析）。
3、熱應(yīng)力分析與熱誘導(dǎo)振動分析進行耦合分析，還有難度，問題是多方面的。下面僅就準靜態(tài)非耦合的熱誘導(dǎo)振動分析為例，介紹由熱應(yīng)力引起的振動。
4、懸臂梁材料屬性：
Conductity: 300W/(mK)
Density: 3000kg/m3
Elastic: E=3e10Pa, ν=0.3
Expansion: 3e-5 K-1
Specific Heat: 300J/(kgK)
5、分析結(jié)果
6、詳細步驟
見附件。
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例-kxh.part4.rar
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例-kxh.part1.rar
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例-kxh.part2.rar
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例-kxh.part3.rar
展開 
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例
1、一個金屬懸臂梁，一端固支，初始溫度20℃，溫度突變到120℃時由于膨脹及邊界約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力，進而引起振動，這種振動就是熱誘導(dǎo)振動。
2、熱誘導(dǎo)振動分析的成功應(yīng)用不多見，在哈勃太空望遠鏡曾因熱誘導(dǎo)振動問題而發(fā)生故障。現(xiàn)在對航天器的分析中，熱誘導(dǎo)振動屬于難點和重點。國內(nèi)曾有人對衛(wèi)星天線做過準靜態(tài)熱誘導(dǎo)振動分析，也有人對空間站太陽能電池陣的桅桿做過基于模態(tài)的熱誘導(dǎo)振動分析（可能類似Abaqus中的線性攝動分析）。
3、熱應(yīng)力分析與熱誘導(dǎo)振動分析進行耦合分析，還有難度，問題是多方面的。下面僅就準靜態(tài)非耦合的熱誘導(dǎo)振動分析為例，介紹由熱應(yīng)力引起的振動。
4、懸臂梁材料屬性：
Conductity: 300W/(mK)
Density: 3000kg/m3
Elastic: E=3e10Pa, ν=0.3
Expansion: 3e-5 K-1
Specific Heat: 300J/(kgK)
詳細步驟
見附件。
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例-kxh.part4.rar
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例-kxh.part2.rar
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例-kxh.part3.rar
Abaqus熱應(yīng)力分析、熱誘導(dǎo)振動分析簡單實例-kxh.part1.rar
展開 管道的熱固耦合計算及管道熱應(yīng)力分析!
圖19 中間平面設(shè)置圖
圖20 速度云圖
圖21 壓力云圖
圖22 溫度云圖
六、穩(wěn)態(tài)熱分析
完成流體計算之后，單擊B4 進入穩(wěn)態(tài)熱分析模塊，將流體區(qū)域抑制，并將固體區(qū)域生成網(wǎng)格，生成方法與之前類似。之后右鍵單擊Imported Load—Insert—Temperature 將流體計算的溫度場導(dǎo)入，在固體域溫度的接受面為固體的內(nèi)表面，之前已經(jīng)進行定義，直接選用即可，Cfd surface 選用計算的流固界面溫度。右鍵單擊Imported Load，單擊右鍵菜單的ImportedLoad 導(dǎo)入溫度。
右鍵單擊Steady-State Thermal 插入邊界條件，設(shè)置外壁面的對流換熱系數(shù)為10W/m2·℃，環(huán)境溫度為20℃。設(shè)置三個入口的端面溫度與入口流體溫度一致。在solution 中插入溫度和總的熱流量。單擊solve 進行求解。
圖23 流場溫度導(dǎo)入
圖24 穩(wěn)態(tài)熱力學計算結(jié)果
七、變形及熱應(yīng)力分析
雙擊C5 進入靜態(tài)結(jié)構(gòu)計算模塊右鍵單擊Imported Load 打開右鍵菜單后單擊ImportedLoad 導(dǎo)入固體域的溫度。右鍵單擊Static Structural—Insert—Fixed Support 給三個入口端面施加固定約束。
展開 熱應(yīng)力專題 | 間接法熱應(yīng)力分析-以保溫管道為例
導(dǎo)讀：利用間接法計算熱應(yīng)力，首先進行熱分析，然后將求得的節(jié)點溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。熱分析可以是瞬態(tài)的，也可以是穩(wěn)態(tài)的，當熱分析是瞬態(tài)時，需要找到溫度梯度最大的時間點，并將該時間點的結(jié)構(gòu)溫度場作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)上。
由于間接法可以使用所有熱分析和結(jié)構(gòu)分析的功能，所以對大多數(shù)情況都推薦使用該方法。
一、問題描述
某液體管路內(nèi)部通有液體，外部包有保溫層，保溫層與空氣接觸，圖中尺寸單位mm。已知管路由鑄鐵制造，其導(dǎo)熱系數(shù)為70 W/(m·℃)，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5 /℃；保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W/(m·℃)，彈性模量為20 GPa，泊松比為0.4，熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5 /℃；管路內(nèi)液體壓力0.3 MPa，溫度為70 ℃，對流換熱系數(shù)為1 W/(m2·℃)；空氣溫度為-40 ℃，對流換熱系數(shù)為0.5 W/(m2·℃)。試分析管路內(nèi)熱應(yīng)力情況。
問題分析：根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，采用軸對稱單元計算。軸對稱模型在第一象限建模，對稱軸是Y軸，XYZ分別表示徑向、軸向和周向（環(huán)向）。熱分析用PLANE77熱單元，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析用PLANE183單元。
計算結(jié)果：有保溫層，熱分析后管道的溫度為45.1℃。內(nèi)壓與溫差作用下，應(yīng)力見各向應(yīng)力云圖、第三強度和第四強度相當應(yīng)力云圖。
展開 Abaqus熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力分析基礎(chǔ)知識介紹
熱傳遞的分析目標是研究熱量的傳遞過程。熱傳遞分析以熱變量或與熱相關(guān)的變量的形式來計算熱響應(yīng)，如溫度分布和溫度梯度以及熱通量。
熱傳遞分析包括兩種類型，第一種，非耦合的熱響應(yīng)，即純熱傳遞分析；第二種耦合的響應(yīng)（熱-應(yīng)力分析），分為順序耦合和完全耦合。純熱傳遞分析在Abaqus/Standard中完成，耦合響應(yīng)在Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit中完成。
熱傳遞包括三種模式：
傳導(dǎo)，也被稱為“實體熱傳遞”，發(fā)生在物體內(nèi)的分子水平上，金屬是典型的熱的良導(dǎo)體，氣體則不是。
對流，是通過熱物質(zhì)（氣體或者流體）的流動進行熱量傳遞，包括自然對流和強制對流，如水泵、風機或其他壓差作用引起的對流。
輻射，即電磁輻射，發(fā)生不需要介質(zhì)，真空中亦可。
熱傳遞可以上述一種或幾種模式的組合來進行。在熱傳遞分析中用到的基本量有以下這些，如圖所示。
abaqus-復(fù)合材料仿真分析基礎(chǔ)篇.pdf
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