案例7 - 发动机活塞热固耦合分析

1.案例介绍

发动机活塞是内燃机中的一个重要部件，它是往复式内燃机中产生功和转化热能为机械能的关键组成部分，通常由金属材料制造而成，如铝合金或铸铁。它呈圆筒形，具有顶部、底部和圆柱体三个部分。活塞通过活塞销与连杆相连接，使活塞能够上下往复运动。
通过对活塞的温度分布和热量传递进行分析，可以更好地了解燃烧过程中活塞的温度变化，从而优化燃烧室的设计，提高燃烧效率。活塞在高温下工作，过高的温度可能导致活塞材料的热疲劳和性能下降。通过热力分析，可以了解活塞的温度分布和热量传递，从而优化活塞冷却系统，降低热负荷。

2.流程介绍

• 前处理与求解设置
  • 学习如何导入几何，自动生成网格
  • 学习如何导入模型网格
  • 学习如何设置模型与材料相关选项
  • 学习如何求解计算
• 后处理结果分析展示
  • 结果云图

步骤一：导入网格

进入热力学分析模块，点击“热力学分析”下的“网格”，在类型处选择“上传网格”，点击下面的上传网格将目标网格上传至CAE平台，本案例网格名为Piston。如下图所示：

步骤二：设置时变特性

点击“热力学分析”，设置“时变特性”为稳态，“惯性效应”为静态，关闭“非线性效应”开关。

步骤三：接触设置

本案例无接触设置

步骤四：单元设置

“单元设置”处选择“自动”。设置如下图所示：

步骤五：全局模型设置

全局模型设置即设置模型的加速度载荷，设置Y轴负向加速度，值为9.8，如下图所示：

步骤六：材料设置

材料是有限元计算中必须设置的内容，软件可以通过材料的相关设置组装出模型的质量、刚度等矩阵。
点击材料，对模型施加全局材料属性，并修改材料相对应参数，具体如下图所示：

步骤七：边界条件和荷载

1）点击“边界条件与载荷”后的“+”，设置“热对流”边界，“环境温度”设为741摄氏度，“热传导系数”设为450，施加位置在面“top”。

2）点击“边界条件与载荷”后的“+”，设置“热对流”边界，“环境温度”设为180摄氏度，“热传导系数”设为150，施加位置在面“groove1”、“groove2”、“ring1”、“ring2”。

3）添加边界“热对流”，设置“环境温度”为120，热传导系数650，施加位置在面“residual”。

4）添加边界条件“固定支撑”，施加面“fix_face1”、“fix_face2”。

5）添加边界条件“压强”，大小为2e7Pa，施加位置在“top”。

6）添加边界条件“压强”，大小为1.4e8Pa，施加位置在“ring1”。

7）添加边界条件“压强”，大小为4e6Pa，施加位置“ring2”。

步骤八：求解器设置

求解器采用默认设置如下图所示：

步骤九：时间步设置

时间步与资源设置采用默认设置

步骤十：结果设置&计算

点击结果配置前的“+”，会弹出物理场，打开物理场前的“+”会弹出一部分默认输出的物理场，其余的物理场可以通过点击“物理场”后的“+”。这里需要配置的物理量如图所示。

点击“仿真计算”，开始计算，直至提示成功即可。

步骤十一：结果展示

查看计算结果——点击“结果云图”。在“物理场”下拉菜单中可以设置不同结果的名称。具体结果如下图所示：