长期以来，随着传热学的发展，对内燃机传热的研究也有了长足的进步，尤其是对燃烧室的单个零部件(活塞、缸套、气缸盖等)温度场和热应力计算、分析都已趋于成熟。但是这种方法存在着一些缺陷：各个零部件相互独立，边界条件不能耦合，不能很好地从整体反映内燃机的工作状态。目前对于内燃机的研究主要是对活塞、气缸套、气缸盖等部件的局部耦合或整体耦合传热分析。但是内燃机整机传热过程全模拟设想的实施难度太大，它不仅需要对缸内工作过程、燃烧室部件传热模型有很高的仿真程度，还需要较高的数值有限元分析技术和计算机技术的发展水平。尤其是内燃机传热中活塞-缸套传热仿真更是重点难点。而活塞-缸套传热仿真中的难点又在于边界条件的难以确定和复杂的加载方式。杭州那泰有限元分析公司在耦合传热分析的基础上，结合ANSYS中移动载荷的加载方式，对复杂的边界条件加载进行了简化，以期简化计算程序。
      仿真模型中，假设活塞沿缸套内壁只做上下往复运动，忽略其径向摆动，活塞位置x与曲柄转角ψ(当活塞位于缸套顶端时，ψ= 0)之间存在几何关系。由活塞和缸套的运动关系计算可得，工作循环内活塞顶面与缸套最上端的距离随曲轴转角变化的关系。
      以 4100QBZ 柴油机为例，进行活塞-缸套的三维建模仿真与计算。利用有限元软件ANSYS建立模型，三维有限元模型的建立应进行相应的简化(略去圆角、倒角等)。仿真模型中的缸套和活塞为不同材料，对它们分别划分网格，2种材料的传热特性分别如文中所述。
      在传热模拟计算中，常见的导热特征边界条件有：第1类边界条件—恒定温度；第2类边界条件—热流密度；第3类边界条件—对流。在活塞-缸套的传热模拟计算中主要采用的是第1类边界条件和第3类边界条件。
      初始条件是由缸内当量循环平均燃气温度T_gm和当量循环平均传热系数σ_gm计算得到的活塞-缸套稳态温度场决定。缸内当量循环平均燃气温度T_gm和当量循环平均传热系数σ_gm由式公式确定。
      缸内燃气与燃烧室部件的热交换情况受燃烧室的形状、发动机性能多种因素影响，模拟常常采用一些经验公式进行计算。缸内燃气侧的边界条件是仿真计算的关键。选用艾歇伯格(Eichelberg)经验公式，计算燃气的瞬时换热系数。
      燃气瞬时压力P_g可从柴油机标定工况的示功图直接读出；柴油机标定工况的燃气瞬时温度如图柴油机标定工况的燃气瞬时温度所示，根据公式推算可得出柴油机标定工况的燃气瞬时换热系数。
      采用 Dittus-Boelter 管内湍流强制对流传热的经验公式，计算冷却水的传热系数，并确定冷却边界条件。
      目前很少有比较成熟的理论可以解决油束及油腔的换热问题，通常采用经验公式计算。冷却油换热条件根据喷溅冷却放热系数。
      缸套顶端和下端与介质换热量较少，接触面积较小，故可考虑做绝热处理。缸套外侧有少部分与缸体接触，形成封闭的循环冷却水空间，该接触面的面积及热流量较小，对整个传热影响不大，在计算中边界条件根据接触热阻进行计算。
      由于是对瞬态状态的求解，对于边界条件加载要求较高。首先在燃气侧因为活塞-缸套之间的相对运动，热载荷在缸套内壁上面积也会随之发生改变。采用了ANSYS中移动载荷的加载方式，利用ANSYS中循环语句，在第一次加载载荷用完后，将之删除，重新加载新的载荷条件，如此重复，即可使边界条件也随之动态变化。其次冷却水侧的边界条件、润滑油侧边界条件、缸套与缸体、缸盖侧的边界条件都将以面载荷的形式施加在缸套-活塞模型的相对应位置。

                                                                                专业从事有限元分析公司│有限元分析│CAE分析│FEA分析│技术服务与解决方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司www.nataid.com，转载请注明出处和相关链接！