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发动机冷却系统水套有限元分析
上海交通大学 刘新田 刘长虹 谭靖毅 黄虎
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摘要：本文首先提出三种不同发动机冷却系统水套的设计方案，并通过UG对其进行精确建模。根据汽缸对称性及相邻汽缸温度相同截取1/2截面建立力学模型，同时加载水套边界条件，利用软件仿真计算出不同形式水套的稳态热分析。然后对不同冷却系统水套进行热应力、X轴方向应力、Y轴方向应力和剪应力分析，并对结果进行讨论，最后可选择出较好的设计方案。
关键词：发动机冷却系统，稳态，有限元方法，热应力
1 引言
发动机冷却系统是汽车的重要组成部分之一，冷却系统的作用是使发动机在各种转速和各种行驶状态下都能有效的控制温度，其中水套是整个冷却系统的关键部分。当发动机工作产生大量的热量时，充满循环水的水套将发挥降温的功能，并对整个汽缸的散热起到十分重要的作用。混合气燃烧时产生大量的热，其中大部分热量通过废气被排出。然而仍然有余热残留在发动机中，如果不用其他的方法排除这些余热，它仍足以使发动机受到严重损坏。发动机中的冷却系统就是专门用来消除余热的。
根据汽车发动机本身的特点，即使是残留的余热也可能把发动机严重损坏，这时就需要设计相应的冷却系统保证发动机能够在各种工况下正常使用。本文利用UG设计了三种不同样式的冷却系统水套。它们共同点是：空腔分布在汽缸两侧。不同点是：汽缸两侧空腔截面形状不同，空腔数目多少不一样。图1（a）空腔截面形状为近似长方形，长方形两侧为圆弧。图1（b）空腔截面形状为圆形，两侧分布有圆形截面。图1（c）空腔截面为长方形。

（图片）

图1 冷却系统简图

2 ANSYS前处理
2.1 模型简化
由于汽缸的对称性，以及相邻汽缸温度相同所以可以看作是绝热层，不需要选取整个发动机冷却系统进行有限元热分析，只要选取单缸1/2截面进行有限元热分析。
2.2 网格处理
ANSYS网格划分功能使用起来十分方便。从划分的功能来讲，则网格划分包括延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。在对发动机冷却系统进行划分网格时，本文采用的是ANSYS系统智能网格划分。图2表示对三种不同发动机冷却系统水套的简化模型采用ANSYS系统智能划分网格。

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图2 对冷却系统划分网格

2.3 边界处理
在进行有限元分析前，要确定发动机冷却系统工作的边界条件：在汽缸内部介质为空气，温度较高为650℃，空气对流系数为14.2 W/m2*℃；在水套内部介质为冷却液，温度较低为75℃至90℃，空气对流换热系数为454.28 W/m2*℃；在汽缸外壁介质为空气，温度更低为60℃，空气对流换热系数为14.2 W/m2*℃。
3 ANSYS分析
3.1 稳态热分析
由于温度的变化引起应力和变形是工程关心的问题。稳态传热导是指系统的温度场不随时间而变化。如果系统净热流率为０（流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量），系统处于热稳态： q流入+q生成-q流出=0
在稳态热分析中所有节点的温度不随时间变化。它的能量平衡方程为[K]{T}={Q}，（[K]为传导矩阵，包括导热系数、对流系数、辐射率和形状系数；{T}为节点温度向量；{Q}为节点热流率向量）
ANSYS用模型几何参数、材料热性能参数和边界条件生成[K]和{Q}，用稳态传热分析计算稳定热载荷对系统或部件的影响。稳态热分析可通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。本文首先对冷却系统水套模型进行稳态热分析研究，得到的其结果如图3和表1所示。由表1可知：三种方案虽然不同，但是它们的稳态热分析几乎没有什么不同。

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图3 稳态热分析

表1不同冷却系统的稳态热分析

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3.2 热梯度分析
为进一步研究三种发动机冷却系统水套设计方案，根据稳态热分析进行热梯度分析。热梯度是指单位面积和单位时间内通过的热量。从图4中可知，每个冷却系统的热梯度最高发生在区域1：（a）中为558.112～627.43；（b）中为582.064～654.6。（c）中为452.012～508.073。即热梯度最高为方案（b），最小为方案（c）。

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图4 热梯度分布图

3.3 热应力分析
在ANSYS的Multiphysics、Mechanical、Thermal、FLOTRAN和ED模块中都包含热分析功能，但FLOTRAN不含相变热分析。ANSYS热分析在能量守恒原理的热平衡方程基础上用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。本文把热传递问题转换为热应力问题。从图5中可以看出：汽缸内壁上热应力最高发生在区域3；在水套圆角相对区域内热应力最高分别为区域1和区域2。

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图5 热应力分布图

表2为不同冷却系统的热应力最高值的比较。表2知：在方案（b）中，水套圆角相对区域内热应力最高区域1的值比方案(a)和方案(b)大很多；在方案（c）中，由热应力局部放大图6发现：水套周围在汽缸的4个角上产生应力集中，容易产生泄漏。而方案（a）中的水套具有圆角可以有效的防止应力集中。

表2热应力最高分布区域

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从图6可以看出在水套的2个角上具有应力集中的现象，出现红色区域应力大小为：0.152E+9～0.171E+9Pa。

图6（c）方案热应力局部放大

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3.4 X轴方向应力分析
根据X轴方向应力图和其数据表，数据显示（a）和（c）都要优于（b）方案，因为水套附近的X轴方向应力相对较小。然而其他两个方案，在方案（a）中，水套上方应力过度比较均匀；而方案（c）中，水套上方的应力区域有断裂，分布不均。

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图7 X轴方向应力分布图

表3 X轴方向应力

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3.5 Y轴方向应力分析
根据Y轴方向应力图和其数据表，数据显示（a）和（c）都要优于（b）方案，因为水套附近的Y轴方向应力相对较小。然而其他两个方案，在方案（a）中，水套上方应力过度相对均匀；而方案（c）中，水套上方的应力区域有断裂，分布不均。

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图8 Y轴方向应力分布图

表4 Y轴方向应力

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3.6 剪应力分析
根据剪切应力分布图和剪切应力表，（b）和（c）两个方案在水套附近剪切应力相对较大，故方案（a）水套附近的剪切力为三种方案里最小。

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图9 剪切应力分布图

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表5 剪切应力

根据材料，一般铸钢的许用应力σb≥400MPa；而合金碳钢的许用应力较一般铸钢高，大约为σb≥640MPa。经计算后发现结果完全小于一般铸钢的σb，故方案（a）是可选择的且符合材料力学性能。
4 结论
本文成功运用ANSYS软件对汽车发动机冷却系统水套的散热性能进行了发动机工作各工况的分析计算。由计算结果知：方案（a）要优于其它两种方案，且热应力性能相差不大；在水套和汽缸活塞之间是温度最高的地方，在其周围热量相对较低。热应力由于集中在汽缸活塞正上方，所以其壁厚要适中，不能太薄，要有一定的强度。同时获得了水套周围热分布的大量信息，计算结果可为判断汽车发动机冷却系统的水套形式的优劣提供依据。
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