1. 3 參數(shù)化有限元計(jì)算程序及輸出接口
   
    參數(shù)化有限元計(jì)算程序根據(jù)輸入的參數(shù)值，依次進(jìn)行物性參數(shù)設(shè)置、三維幾何建模、網(wǎng)格設(shè)置及自動(dòng)劃分、邊界條件附加、分析類(lèi)型及輸出設(shè)置、執(zhí)行計(jì)算，計(jì)算流程如圖 2 所示。這一系列任務(wù)由各自模塊獨(dú)立完成，最終形成輸出結(jié)果文件。輸出處理程序依據(jù)計(jì)算目標(biāo)、輸入的參數(shù)值，通過(guò)對(duì)輸出結(jié)果文件的查詢(xún)，完成最終結(jié)果的輸出。在特殊工況下的活塞熱負(fù)荷分析是一個(gè)變參數(shù)的計(jì)算分析問(wèn)題，通過(guò)本計(jì)算程序邊界條件的輸入接口，輸入相應(yīng)工況下的邊界條件，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)活塞熱負(fù)荷的計(jì)算分析，避免了對(duì)活塞復(fù)雜模型的操作和處理過(guò)程，既減少了人為干預(yù)的錯(cuò)誤，又大大提高了分析效率。
   

    2 邊界條件的模擬應(yīng)用
   
    活塞熱負(fù)荷分析的邊界條件，主要分為活塞頂部、環(huán)岸、活塞環(huán)區(qū)、裙部、底腔 5 個(gè)區(qū)域。以 490 型柴油機(jī)標(biāo)定工況下的示功圖為基礎(chǔ)，計(jì)算出各邊界區(qū)域的平均邊界值，然后依據(jù)內(nèi)燃機(jī)熱負(fù)荷及傳熱理論、活塞結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行各區(qū)域的具體布置。在特殊工況下，不同區(qū)域的邊界值發(fā)生明顯變化，對(duì)活塞的溫度場(chǎng)、熱變形產(chǎn)生顯著影響。
   
    2. 1 運(yùn)行工況對(duì)活塞頂面與燃?xì)鈸Q熱系數(shù)的影響
   
    運(yùn)行工況主要指內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)荷及速度的影響。一般情況下，平均有效壓力 Pe 加大，將使缸內(nèi)燃?xì)饷芏燃哟螅瑴囟壬撸斐蓪?duì)流及輻射換熱增強(qiáng)；轉(zhuǎn)速 n 值增大，則使缸內(nèi)氣流擾動(dòng)加大，對(duì)流換熱增強(qiáng)。總之，高速高負(fù)荷工況是對(duì)流及輻射換熱的嚴(yán)重工況，依據(jù)缸內(nèi)傳熱 Woschni 公式，對(duì)不同速度和負(fù)荷下總體換熱系數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算。
   
    2. 2 冷卻水與壁面間對(duì)流換熱的影響因素
   
    在水冷發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁的冷卻水一側(cè)，對(duì)流換熱系數(shù) a 值的大小主要取決于壁面附近的流體邊界層性質(zhì)。而邊界層的厚度主要取決于水流速度和缸壁的表面特性，隨著內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加及工況的變化，可能出現(xiàn)缸壁表面粗糙度增加，冷卻水局部流速減小甚至為零的情況。依據(jù)活塞側(cè)面綜合放熱系數(shù)多層熱阻疊加原理，計(jì)算并分析了冷卻水對(duì)流換熱系數(shù)及水溫變化對(duì)整體活塞溫度分布及熱變形的影響。
   
    3 結(jié)果與分析
   
    3. 1 標(biāo)定工況下的活塞溫度場(chǎng)和熱變形
   
    490 型柴油機(jī)在標(biāo)定工況（3 000 r/ min，滿(mǎn)負(fù)荷）下正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，燃燒室燃?xì)馄骄鶞囟葹?803 ℃，平均換熱系數(shù)為 412W/ m2℃ ，將處理后的邊界值輸入?yún)?shù)化有限元程序，結(jié)果如圖 3 所示。
   

    由圖 3 可以看出，標(biāo)定工況下，活塞的最高溫度為 255. 63℃ ，出現(xiàn)在頂部燃燒室喉口邊緣，頂環(huán)槽最高溫度為 224. 9 ℃ 。活塞熱變形的最大徑向位移為 0. 252 7 mm，發(fā)生在活塞頭部的銷(xiāo)軸垂直面上，裙部最大徑向位移為 0. 193 6 mm，發(fā)生在銷(xiāo)軸上部。
   
    3. 2 高速高負(fù)荷下的活塞溫度場(chǎng)和熱變形
   
    在高速高負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機(jī)，燃?xì)鉁囟取⒒钊斆娴膿Q熱系數(shù)均有相應(yīng)的提高。依據(jù)不同負(fù)荷下的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，分別按表 2 所示熱邊界條件進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖 4，5，6。從圖中可看出，隨著 490 型柴油機(jī)運(yùn)行速度和負(fù)荷的增加，整體活塞的溫度和熱變形增加明顯。圖 6 為熱負(fù)荷最嚴(yán)重的第 4 種工況，此時(shí)活塞最高溫度為 288. 96 ℃，頂環(huán)槽最高溫度為 252. 57 ℃，活塞最大徑向位移為 0. 286 23 mm，裙部最大徑向位移增加到 0. 214 4 mm。