一种活塞连杆组合结构冷却流场的瞬态仿真分析方法技术

本发明专利技术提供了一种活塞连杆组合结构冷却流场的瞬态仿真分析方法，包括如下步骤：创建活塞、活塞销、连杆等几何模型，并建议运动模型和背景域模型；将运动模型、背景域模型、多相流物理模型和流体体积域物理模型耦合成组合结构的冷却流场计算模型；创建随时间变化的位移、速度或者加速度的运动函数，用以约束运动模型的运动规范；对冷却流场计算模型进行有限元离散和边界定义；定义冷却流场计算模型的求解方式为隐式不定常求解，设置求解时间和求解步长，并求解计算。本发明专利技术可以对活塞‑活塞销‑连杆的组合结构冷却流场实现最大相似模拟，可提供全面的、准确的评估，可推广到其它发动机活塞‑活塞销‑连杆组合结构或单一结构的冷却流场仿真分析。

A transient simulation analysis method for cooling flow field of piston-connecting rod composite structure

【技术实现步骤摘要】
一种活塞连杆组合结构冷却流场的瞬态仿真分析方法
本专利技术属于发动机
，尤其是涉及一种活塞连杆组合结构冷却流场的瞬态仿真分析方法。
技术介绍
发动机活塞-活塞销-连杆组合结构作为发动机重要的运动件，在工作过程中活塞会直接承载燃烧室传递的高热负荷，进一步热负荷会传递给活塞销和连杆小头等被连接件。组合结构采用射流的方式冷却，冷却油经喷嘴射向活塞的震荡油腔，部分飞溅至活塞底腔和活塞销、连杆小头表面进行冷却。如果组合结构冷却流场的冷却能力不好，会造成组合结构的热负荷过高，不仅会影响活塞结构可靠性，也会影响三者组成的摆动摩擦副正常工作，易出现活塞烧蚀，摆动摩擦副过热、摩擦磨损、衬套脱落等故障。发动机一个工作循环内，组合结构高速运动，活塞震荡油腔的填充率与活塞底腔、活塞销、连杆小头表面的冷却油飞溅状态都无法真实获得。因此，准确评估活塞-活塞销-连杆组合结构冷却流场的冷却能力，为组合结构冷却流场的设计提供数据支撑显得尤为重要。目前，组合结构冷却流场的评估通常采用稳态仿真分析方法，针对某工况(活塞上止点、下止点等)建立组合结构冷却流场模型，稳态分析得出组合结构的冷却流场流量、温度、换热系数等参数，进一步为组合结构的温度场分析提供边界条件。该方法可以获得组合结构冷却流场单一工况的稳态参数，但是没有考虑组合结构的运动对冷却流场介质震荡和飞溅的影响，也无法考察发动机一个工作循环周期内组合结构的整体冷却情况。因此，该方法对活塞-活塞销-连杆组合结构冷却流场的评估与实际工作情况差异较大，分析结果难以准确评价冷却流场分布情况。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提出一种活塞连杆组合结构冷却流场的瞬态仿真分析方法，以对活塞-活塞销-连杆的组合结构冷却流场实现最大相似模拟，可提供全面的、准确的评估。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种活塞连杆组合结构冷却流场的瞬态仿真分析方法，包括如下步骤：1)创建活塞、活塞销、连杆、缸体、缸套的几何模型；2)建立活塞、活塞销、连杆组合结构的运动模型，根据缸体、缸套的几何模型建立背景域模型；3)建立冷却流场多相流物理模型和流体体积域物理模型；4)将运动模型、背景域模型、多相流物理模型和流体体积域物理模型耦合成组合结构的冷却流场计算模型；5)创建随时间变化的位移、速度或者加速度的运动函数，用以约束运动模型的运动规范；6)对冷却流场计算模型进行有限元离散和边界定义；7)检查运动模型的运动行为是否建立，若建立则转到步骤7)，否则返回步骤2，检查步骤2至6发生的错误并更正；8)定义冷却流场计算模型的求解方式为隐式不定常求解，设置求解时间和求解步长，并求解计算。进一步的，在步骤8后面还包括步骤9)获得组合结构冷却流场的速度、温度、换热系数的瞬态分布和平均分布。进一步的，在步骤6中，对冷却流场计算模型进行网格划分、重叠边界设置、进出口参数输入。进一步的，在步骤4中，将运动模型和背景域模型进行耦合，分离出重叠边界和进出口边界，其中，背景域喷嘴为介质进口，背景域底面为介质出口，将多相流物理模型和流体体积域物理模型赋予为运动模型和背景域模型的物理属性，得到组合结构的冷却流场计算模型。进一步的，在步骤2中，将活塞、活塞销、连杆小头组合为一个往复运动的运动模型；在步骤5中，创建往复运动的速度函数用于约束运动模型，函数如下：其中：υ为活塞往复运动速度；r为曲柄半径；n为柴油机曲轴转速；l为连杆长度；t为时间。相对于现有技术，本专利技术具有以下优势：(1)本专利技术可以对活塞-活塞销-连杆的组合结构冷却流场实现最大相似模拟，可提供全面的、准确的评估，可推广到其它发动机活塞-活塞销-连杆组合结构或单一结构的冷却流场仿真分析。(2)本专利技术将活塞、活塞销、连杆等零件实际瞬态运动与瞬态冲击冷却耦合；考虑了活塞、活塞销、连杆等零件真实运动状态对冷却流场分布的影响；(3)本专利技术考虑了活塞、活塞销、连杆等零件真实特征及装配间隙对冷却流场分布的影响；考虑了冷却油震荡、飞溅等因素对组合结构冷却流场分布的影响。附图说明构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术实施例所述方法流程图；图2为本专利技术实施例所述组合结构冷却流场模型；图3为本专利技术实施例所述组合结构瞬态温度场分布图；图4为本专利技术实施例所述组合结构瞬态换热系数分布图；图5为本专利技术实施例所述组合结构的连杆小头平均温度分布图；图6为本专利技术实施例所述组合结构的连杆小头平均换热系数分布图。图2中：1-活塞-活塞销-连杆小头运动模型，2-缸套背景域模型，3-重叠边界，4-进口，5-出口。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。本专利技术具体实施例以某柴油机活塞-活塞销-连杆小头组合结构冷却流场的瞬态仿真分析为例，以组合结构冷却流场为计算目的，如图1所示，包括以下步骤：(1)本实施例中，利用Creo2.0软件创建活塞、活塞销、连杆小头、缸体、缸套等零件的三维的几何模型。(2)建立组合结构的运动模型及其背景域模型本实施例中，忽略活塞-活塞销、活塞销-连杆两摩擦副之间的相对运动，因此，可以将活塞、活塞销、连杆小头组合为一个往复运动的活塞-活塞销-连杆小头运动模型1(overset运动模型)。活塞在运动至下止点时，一部分在缸套内，一部分在缸体内，为便于冷却流场的计算，延伸缸套的几何模型，建立缸套背景域模型2，形成完全包含运动模型的运动边界。(3)建立冷却流场多相流物理模型和流体体积域(VOF)物理模型。本实施例组合结构冷却流场的多相流物理模型采用欧拉多相流模型，定义油和空气两相流的介质属性，其流体运动模式采用K-Epsilon湍流计算方程式，考虑重力对冷却流场的影响。采用流体体积域(VOF)物理模型，可以考虑冷却流体运动过程中的震荡和飞溅。(4)将上面得到的组合结构的运动模型和背景域模型进行耦合，分离出重叠边界3和进出口边界，其中，背景域喷嘴为介质的进口4，背景域底面为介质的出口5；将多相流物理模型和流体体积域(VOF)物理模型赋予为运动模型和背景域模型的物理属性，最终得到组合结构的冷却流场计算模型，见图2所示。(5)创建随时间变化的位移、速度或者加速度等运动函数，用以约束运动模型的运动规范。本实施例中，组合结构的往复运动函数定义为速度函数：其中：υ为活塞往复运动速度；r为曲柄半径；n为柴油机曲轴转速；l为连杆长度；t为时间。在本实施例中：υ＝21.875[sin(397.733t)+3.077sin(795.467t)]约束overset运动模型的运动方向为缸套轴向。(6)对组合结构的冷却流场模型进行有限元离散和边界定义，即对冷却流场模型网格划分、重叠边界设置、进出口参数输入等。本实施例中，冷却流场的网格模型采用切割体网格，边界层采用棱柱层网格，网格基本尺寸定义为2mm，对overset运动模型中的活塞震荡油腔、底腔、连杆小头及背景域模型中的喷嘴网格细化为0.4mm。重叠边界设置为线性插值计算。设置进口介质为冷却油，其速度为9.3m/s，温度为100℃。设置出口压力为1bar。(7)开放运动求解器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种活塞连杆组合结构冷却流场的瞬态仿真分析方法，其特征在于包括如下步骤：1)创建活塞、活塞销、连杆、缸体、缸套的几何模型；2)建立活塞、活塞销、连杆组合结构的运动模型，根据缸体、缸套的几何模型建立背景域模型；3)建立冷却流场多相流物理模型和流体体积域物理模型；4)将运动模型、背景域模型、多相流物理模型和流体体积域物理模型耦合成组合结构的冷却流场计算模型；5)创建随时间变化的位移、速度或者加速度的运动函数，用以约束运动模型的运动规范；6)对冷却流场计算模型进行有限元离散和边界定义；7)检查运动模型的运动行为是否建立，若建立则转到步骤7)，否则返回步骤2，检查步骤2至6发生的错误并更正；8)定义冷却流场计算模型的求解方式为隐式不定常求解，设置求解时间和求解步长，并求解计算。

【技术特征摘要】
1.一种活塞连杆组合结构冷却流场的瞬态仿真分析方法，其特征在于包括如下步骤：1)创建活塞、活塞销、连杆、缸体、缸套的几何模型；2)建立活塞、活塞销、连杆组合结构的运动模型，根据缸体、缸套的几何模型建立背景域模型；3)建立冷却流场多相流物理模型和流体体积域物理模型；4)将运动模型、背景域模型、多相流物理模型和流体体积域物理模型耦合成组合结构的冷却流场计算模型；5)创建随时间变化的位移、速度或者加速度的运动函数，用以约束运动模型的运动规范；6)对冷却流场计算模型进行有限元离散和边界定义；7)检查运动模型的运动行为是否建立，若建立则转到步骤7)，否则返回步骤2，检查步骤2至6发生的错误并更正；8)定义冷却流场计算模型的求解方式为隐式不定常求解，设置求解时间和求解步长，并求解计算。2.根据权利要求1所述的一种活塞连杆组合结构冷却流场的瞬态仿真分析方法，其特征在于：在步骤8后面还包括步骤9)获得组合结构冷却流场...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫军朝，张利敏，王延荣，王艳丽，高丽英，刘玉婷，张宁，
申请(专利权)人：中国北方发动机研究所天津，
类型：发明
国别省市：天津,12