副標題#e#    活塞是內燃機中的重要零部件，工作過程中承受周期性的強烈熱負荷作用，工作條件極其惡劣，其性能的好壞直接影響整機的性能。在正常工況下，活塞一般能夠保持較為良好的工作狀態，但在特殊工況下，如冷卻不良、超負荷運轉等，則會出現局部溫度過高的現象，實踐證明，活塞長時間在超負荷高溫下運行，首先會引起材料強度降低，而材料強度的降低則意味著機件在長期工作中會出現永久變形、斷裂以至局部發生燒傷，進而導致整機的故障，大大影響了整機的可靠性、耐久性。近幾年來，隨著內燃機在強化程度和熱負荷水平上的大幅度提高，由于特殊工況，而導致的熱負荷問題更加突出。如何正確模擬內燃機的特殊工況，準確計算活塞的溫度場是解決這個問題的關鍵。
   
    目前復雜零部件熱負荷分析中，大多采用有限元分析方法。由于活塞結構及邊界條件復雜，所以在有限元計算中，任何參數的改變均會帶來不必要的重復工作。以 COSMOS/ M 有限元程序語言為基礎，編制了活塞參數化有限元計算程序，并運用 Delphi 語言編制了相應的數據接口，通過輸入參數值的變化來模擬冷卻不良及超負荷運轉等特殊工況，進而對活塞的溫度場和熱變形進行計算分析，大大提高了多工況下活塞熱負荷分析的效率，為活塞的多工況熱負荷故障仿真提供了一種高效的分析方法。
   
    1 基于活塞熱負荷的參數化三維有限元計算程序
   
    1. 1 參數化有限元模型
   
    有限元分析軟件在繪圖、運算命令中引入參數，通過參數實現與外界程序、數據庫的有效連接，擴展了有限元計算程序的應用范圍，使其具有更強的可擴充性，為建立專業有限元參數化分析模型提供了操作平臺，成為復雜零部件優化設計分析的有力工具。參數化有限元程序語言主要由參數定義賦值語句、數學運算操作語句、程序流程控制語句、參數化繪圖語句、物性參數設置語句、邊界條件設置語句、分析設置及執行語句組成。運用參數化有限元模型不僅能對具體尺寸的復雜零部件進行數值分析，而且可以通過參數接口對某一結構類型的零部件模型進行變參數的數值計算。
   
    由于參數的引入，在有限元模型的建立過程中，不但要考慮各參數化圖形元素之間的形位關系，避免尺寸、形位之間的相互干擾，而且要使建立的幾何模型符合網格劃分及邊界條件附加的要求，根據分析實體的不同類型和尺寸，采用不同的邊界參數和有效的網格處理方法。這不但增加了參數化有限元模型中幾何建模的難度，也加大了參數設計、程序編制的復雜性。
   
    1. 2 參數及其輸入接口
   
    根據活塞幾何結構及邊界條件的特點，將活塞熱負荷分析輸入參數歸結為幾何參數、物性參數、邊界參數、網格參數及分析參數 5 大類。根據 490 型柴油機活塞的結構及工作運行狀況，本次參數化有限元計算程序采用 1/4 幾何模型進行計算，輸入參數如表 1。
   

    根據活塞熱負荷分析中邊界條件附加的要求，將活塞的邊界分成 45 個區域，邊界條件分別由 45 個邊界參數值決定。邊界條件值可以通過第一類或第三類邊界條件的形式輸入。幾何參數設置時給出具體活塞尺寸為默認值，非參數值為具體尺寸。參數的輸入界面均有示意圖，如圖 1 所示。參數接口處理程序主要負責檢查輸入參數值的合理性、一致性及有效性，避免出現數據沖突和異常，最后將檢驗后的參數值輸入有限元計算程序進行計算。