1. 3 參數(shù)化有限元計算程序及輸出接口
   
    參數(shù)化有限元計算程序根據(jù)輸入的參數(shù)值，依次進行物性參數(shù)設(shè)置、三維幾何建模、網(wǎng)格設(shè)置及自動劃分、邊界條件附加、分析類型及輸出設(shè)置、執(zhí)行計算，計算流程如圖 2 所示。這一系列任務(wù)由各自模塊獨立完成，最終形成輸出結(jié)果文件。輸出處理程序依據(jù)計算目標、輸入的參數(shù)值，通過對輸出結(jié)果文件的查詢，完成最終結(jié)果的輸出。在特殊工況下的活塞熱負荷分析是一個變參數(shù)的計算分析問題，通過本計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，便能實現(xiàn)對活塞熱負荷的計算分析，避免了對活塞復(fù)雜模型的操作和處理過程，既減少了人為干預(yù)的錯誤，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 個區(qū)域。以 490 型柴油機標定工況下的示功圖為基礎(chǔ)，計算出各邊界區(qū)域的平均邊界值，然后依據(jù)內(nèi)燃機熱負荷及傳熱理論、活塞結(jié)構(gòu)及運行特點進行各區(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，對活塞的溫度場、熱變形產(chǎn)生顯著影響。
   
    2. 1 運行工況對活塞頂面與燃氣換熱系數(shù)的影響
   
    運行工況主要指內(nèi)燃機運行過程中的負荷及速度的影響。一般情況下，平均有效壓力 Pe 加大，將使缸內(nèi)燃氣密度加大，溫度升高，造成對流及輻射換熱增強；轉(zhuǎn)速 n 值增大，則使缸內(nèi)氣流擾動加大，對流換熱增強。總之，高速高負荷工況是對流及輻射換熱的嚴重工況，依據(jù)缸內(nèi)傳熱 Woschni 公式，對不同速度和負荷下總體換熱系數(shù)進行定量計算。
   
    2. 2 冷卻水與壁面間對流換熱的影響因素
   
    在水冷發(fā)動機缸壁的冷卻水一側(cè)，對流換熱系數(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)燃機運行時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，計算并分析了冷卻水對流換熱系數(shù)及水溫變化對整體活塞溫度分布及熱變形的影響。
   
    3 結(jié)果與分析
   
    3. 1 標定工況下的活塞溫度場和熱變形
   
    490 型柴油機在標定工況（3 000 r/ min，滿負荷）下正常運轉(zhuǎn)時，燃燒室燃氣平均溫度為 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)生在活塞頭部的銷軸垂直面上，裙部最大徑向位移為 0. 193 6 mm，發(fā)生在銷軸上部。
   
    3. 2 高速高負荷下的活塞溫度場和熱變形
   
    在高速高負荷下運轉(zhuǎn)的內(nèi)燃機，燃氣溫度、活塞頂面的換熱系數(shù)均有相應(yīng)的提高。依據(jù)不同負荷下的運轉(zhuǎn)工況，分別按表 2 所示熱邊界條件進行計算，結(jié)果如圖 4，5，6。從圖中可看出，隨著 490 型柴油機運行速度和負荷的增加，整體活塞的溫度和熱變形增加明顯。圖 6 為熱負荷最嚴重的第 4 種工況，此時活塞最高溫度為 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。