优化冷却油腔设计：形状对活塞温度场及强度影响的研究

在本研究中，作者探讨了冷却油腔形状对某型号柴油机活塞温度场的影响。研究采用了ANSYS软件进行数值模拟，首先通过实测数据校验了模拟的准确性，结果显示模拟结果与实际温度有较小的误差，验证了边界条件计算的有效性。 该活塞选用的是硅铝合金材质，具有特定的物理性质，如密度2700 kg/m³，导热系数141 W/(m·K)，线膨胀系数18.8×10^-6/K，转速3600 r/min，功率350 kW，最大爆发压力18.5 MPa，燃气平均换热系数875 W/(m²·K)，燃气平均温度1030℃。研究焦点集中在活塞顶面、第一环槽以及内冷油腔上，通过对1/4活塞进行建模，使用20节点四面体单元网格，并对冷却油腔区域进行了网格细化，以提高精度。 活塞温度场的分析基于稳态工况的假设，通过热传导和对流换热的控制方程来描述。传热过程简化为无内热源的稳态方程，利用ANSYS求解器来解决这个偏微分方程组。活塞的温度场由热传导系数λ和对流换热系数α共同影响，同时考虑了活塞与周围介质（如冷却油）之间的温差。 为了确定最佳的冷却油腔形状，作者采用了正交试验法，设计了9种不同的油腔形态。通过有限元分析，每种油腔设计都被用来模拟活塞温度场，进而评估其对温度分布的影响。实验结果显示，油腔的高度对活塞温度场的影响最为显著，其他形状参数也起到了一定的作用。 在所有方案中，研究人员不仅关注温度分布，还考虑了活塞的强度，因为实际应用中，活塞的性能既要保证冷却效果，也要确保结构强度足够。通过综合比较各个方案的性能指标，他们最终确定了正交试验中的最优冷却油腔形状。 这项研究深入分析了冷却油腔设计对柴油机活塞温度场的显著影响，为优化活塞冷却系统提供了科学依据，对于提高发动机性能和耐久性具有重要的工程价值。