活塞环周向张力仿真计算及试验验证方法.pdf
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1、第 41 卷(2023)第 5 期 内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE Vol.41(2023)No.5 收稿日期:2022-07-19;修回日期:2022-12-29 基金项目:JCJQ 计划技术领域基金资助项目(2020JCJQJJ143);工信部高技术船舶资助项目(工信部装函2019360 号)作者简介:焦博文,博士研究生,E-mail: 通信作者:马 旋,博士后,副教授,E-mail: DOI:10.16236/ki.nrjxb.202305056 活塞环周向张力仿真计算及试验验证方法 焦博文1,张 涛2,马 旋1,吕修颐3,刘志刚1(1.哈尔滨工程大学 动
2、力与能源工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001;2.92942 部队,北京 100073;3.重庆交通大学 航运与船舶工程学院,重庆 400074)摘要:基于 Maxwell-Mohr 定理建立活塞环自由型线模型,活塞环自由型线和截面尺寸作为输入建立了活塞环/缸套的三维有限元接触模型,得到活塞环/缸套接触力设计并搭建了活塞环周向张力测量试验台,通过试验很难测得活塞环/缸套整个接触面的接触力(分布力),而只能测得有限个点的支反力(集中力)提出了分布力与集中力的等效原理模型,实现了对活塞环/缸套接触力模型的验证结果表明:试验结果与仿真结果在 345位置处有最大误差为 8.75%,其他位置具有较好的
3、一致性,整体误差在可接受范围内该模型为活塞环设计提供了理论依据,且可作为活塞环摩擦、润滑分析的输入,来提高计算的准确性 关键词:活塞环;有限元;张力分布;试验台架;力等效模型 中图分类号:TK422 文献标志码:A 文章编号:1000-0909(2023)05-0473-07 Simulation Calculation and Experimental Verification Method of Piston Ring Circumferential Tension Jiao Bowen1,Zhang Tao2,Ma Xuan1,Lyu Xiuyi3,Liu Zhigang1(1.Coll
4、ege of Power and Energy Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.92942 Army,Beijing 100073,China;3.College of Shipping and Naval Architecture,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)Abstract:A piston ring free profile model was established based on the Maxwell-Moh
5、r theorem.The free profile and cross-sectional dimensions of the piston ring were then used as inputs to establish a three-dimensional finite element contact model of the piston ring and cylinder liner to obtain the piston ring/cylinder liner contact force.A test rig for measuring the circumferentia
6、l tension of the piston ring was designed and set-up.It was difficult to measure the contact pressure(distributed pressure)of the entire contact surface of the piston ring/cylinder liner by experiment,but only the reaction force(concentrated force)at a limited number of points can be measured.An equ
7、ivalent principle model of distributed pressure and concentrated force was proposed to realize the verification of the piston ring/cylinder liner contact force model.The results show that there is a maximum error of 8.75%between the test results and the simulation results at 345,and a good consisten
8、cy between the other positions.The overall error is within the acceptable range.The model provides a theoretical basis for the piston ring design and can be used as an input for piston ring friction and lubrication analysis to improve calculation accuracy.Keywords:piston ring;finite element method;t
9、ension distribution;test rig;force equivalent model 随着内燃机可靠性和热效率等技术指标设计要求的提高,作为内燃机的重要零部件,活塞环的密封性能变得越来越重要 活塞环张力是决定活塞环密封性能的重要因素之一1,活塞环依靠张力作用与缸套紧密贴合2-3,以防止缸内高温燃气从燃烧室窜向曲轴箱 活塞环张力过大会造成系统摩擦损失功增加、接触面磨损等不良影响,张力过小则会导致活塞环运行面与缸套内表面失去接触,二者间便会形成一 474 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 5 期 条额外的气体流通通道4-6,从而导致较高的窜气损失和滑油消耗,降低了内燃机的热效
10、率和经济性 除此之外,活塞环张力的分布情况对活塞环/缸套摩擦副摩擦学性能有着重要的影响7-8 因此,对活塞环张力分布状态的研究是非常必要的 活塞环的张力分布与活塞环的自由型线和截面几何形状相关9 根据活塞环自由型线和截面几何建立活塞环三维几何模型,再利用有限元法求解活塞环与缸套的径向接触压力,是求解活塞环与缸套不均匀接触的常用方法 一些研究者10-11利用活塞环径向变形量与截面弯矩的关系,建立微分方程,通过不同的修正方法,得到了活塞环与缸套接触压力分布与变形量的关系,并进行误差分析以及试验验证 Tomanik等12克服 Current 法无法识别细微局部压力变化的缺 点,提 出 了 一 种 新
11、 的 计 算 环 径 向 压 力 的 方法 Cheng 等1对活塞环径向压力进行测量并与仿真模型进行对比验证,得到了较好的结果Baelden 等13提出了一种曲梁有限元模型,并利用该模型解释了活塞环/缸套接触压力不均匀性,但是该模型只适用于油环 随后,Liu 等14-15和 Bhouri 等16-17提出了基于小变形原理的活塞环曲梁理论,成功地把Baelden 建立的曲梁有限元模型扩展到压缩环上 Nikolakopoulos 等18建立了活塞环/缸套的接触有限元模型,使用拉格朗日法和罚函数方法对非线性接触进行求解,并分析了接触表面特性对接触应力的影响 上述的研究成果在活塞环与缸套不均匀接触问题
12、上进行了详细的建模研究,但是并没有提供有效的验证方法 目前,研究者们在活塞环周向张力的试验领域成果较少,已有的活塞环张力检测试验台架可实现的功能较为有限 Tomanik 等12利用一种销规装置对活塞环周向张力进行测量,通过有限的测点来实现活塞环周向张力分布的测量 Cheng 等1对销规装置进行了改进,利用较少的测点来测量活塞环周向的张力分布,并利用该结果对活塞环接触模型进行初步验证 但是该设备很难实现大尺寸活塞环张力的测量,并且很难模拟活塞环微小径向变形下活塞环周向张力的测量 笔者研究的主要工作是:建立了活塞环自由型线理论模型,通过轮廓仪对活塞环自由型线进行试验测量,验证了该模型的准确性;建立
13、了活塞环与缸套的三维有限元接触模型,设计并搭建了解决活塞环/缸套接触问题的试验台架,该试验台架可用来模拟测量活塞环在缸套内发生局部变形时的张力分布;提出了试验所测得的集中力负荷和仿真计算得到的分布力负荷的等效原理模型,该模型搭建了仿真计算与试验测量之间相互验证的桥梁,解决了活塞环/缸套接触模型的验证难题 该问题的解决对活塞环动力学、摩擦学以及润滑的精确分析提供了准确的张力边界,对活塞环的设计具有指导性作用 1 理论模型 1.1 活塞环自由型线模型 与活塞环的名义半径相比,活塞环的厚度较小,因而活塞环可以当作弯曲薄梁处理,其应力与应变呈线性关系,并且满足叠加原理的成立条件 根据Maxwell-M
14、ohr 定理,活塞环上的一点 B 受到外力作用产生的变形19为 11111ccc=dMMMNN MNNFFsEIEA REAGA K+(1)式中:为活塞环径向变形量;M 为活塞环受外力作用产生的弯矩;M1为活塞环在单位负荷下产生的弯矩;N 为活塞环受外力作用产生的轴向力;N1为活塞环在单位负荷下产生的轴向力;F 为活塞环所受的径向力;F1为活塞环在单位负荷作用下受到的径向力;E 为活塞环弹性模量;I 为活塞环截面的惯性矩;Ac为活塞环截面的面积;R 为活塞环名义半径;G 为切变模量;K 为截面形状系数,一般取值为 5/6;s 为活塞环弧长 弯矩计算以活塞环开口间隙(0)处为起始点,该位置为活塞
15、环自由端且不受内外应力 图 1所示活塞环受力示意,A 点处的力作用到 B 点的弯矩可表示为式(2)()()20sin()dMpR=(2)图 1 活塞环受力示意 Fig.1 Schematic of piston ring force 同理,B 点处活塞环截面所受到的轴向力和径向力分别为 2023 年 9 月 焦博文等:活塞环周向张力仿真计算及试验验证方法 475 ()()0sin()dNpR=(3)()()0cos()dFpR=(4)式中:p 为活塞环张力;为活塞环压缩状态下截面对应的角度;为力作用点对应角度 由几何关系可得,活塞环上一点 B 的切向位移与径向位移(变形)关系10为 ddRs=
16、(5)式中:为活塞环的切向位移 则在极坐标系中,活塞环的自由型线表达式为 ()()=R+(6)()()=R +(7)式中:为活塞环自由状态下的曲率半径;为活塞环自由状态下的角度坐标 1.2 活塞环/缸套接触有限元模型 基于理论计算得到活塞环自由型线,利用得到的环自由型线和已知环截面几何形状,可以建立活塞环的 3D 实体模型 活塞环/缸套有限元接触模型通过Abaqus 仿真软件建立,如图 2 所示 图 2 活塞环/缸套接触仿真模型 Fig.2 Piston ring/cylinder liner simulation contact model 为了使得计算更加准确,对活塞环和缸套进行网格划分时
17、均使用六面体网格,其中缸套网格划分共计16128 个单元、24192 个节点,最小网格边长为0.3mm;活塞环共计 84480 个单元、99996 个节点,最小网格边长为 0.27mm 活塞环与缸套的非线性接触计算采用的方法为 ABAQUS 中的增广 Lagrange方法 该模型的计算分为 4 个分析步骤,具体描述为:(1)加载过程 活塞环自由状态下,对其开口正对的截面施加完全固定约束,在开口两端分别施加大小相同、方向相反的负荷使活塞环闭合;(2)安装过程 释放活塞环截面轴向方向自由度,施加位移负荷,使活塞环安装进入缸套内部;(3)力释放过程 逐步释放加载负荷,使得活塞环在缸套内部自然张开;(
18、4)约束释放过程 释放活塞环截面所有约束,活塞环与缸套调整接触状态,最终达到稳定 2 活塞环张力测试试验台架设计 2.1 集中力负荷与分布力负荷等效原理 该试验台的设计思想是:在活塞环的圆周不同位置布置有限个力传感器,活塞环压缩状态下,力传感器与活塞环运行面接触,测量得到活塞环在测点位置处的支反力,该力为集中力而仿真计算时,活塞环/缸套接触模型输出的结果为活塞环/缸套接触压力,该力为分布力事实上,该接触压力通过试验的方法很难测量因此,需要对两个类型力的作用效果的等效关系进行研究,搭建仿真计算和试验测量间的桥梁,从而使仿真分析验证更具有说服力 为建立集中力负荷与分布力负荷的等效关系,研究借鉴了有
19、限元在处理分布力与集中力的处理方 法13,20活塞环受外力作用变形可由式(8)来表示 =KuF(8)式中:K为活塞环刚度矩阵;u为活塞环广义位移(变形)向量;F为活塞环所受合外力向量 当该合外力分别为分布力和集中力作用时,其在有限元节点上第 i 个自由度的等效负荷分别为 ()()e00ddeLhiiFpxNs=(9)()()reiiFFN=(10)式中:Fi为等效节点负荷;Le为活塞环弧长;h 为活塞环轴向厚度;p 为活塞环所受的分布力负荷;为等参变量;Ni为形函数,详细解释可参见文献13,20;Fr为集中力负荷,该负荷由张力试验台架检测结果 给出 图 3 为分布力负荷和集中力负荷在 1/2
20、圆环上的加载示意其中,图 3b 测点 1 和测点 2 分别对应试验台架中力传感器的布点位置 利用曲梁方程以及有限元中等效负荷节点的处理方式,对图 3 进行计算,建立分布力负荷和集中力负荷间的对应关系如式(11)所示,二者的计算结果如图 4 所示 ()()er00dLiiFpNsN=(11)2000d d2RhpxpR=(12)476 内 燃 机 学 报 第 41 卷 第 5 期 式中:p0为平均线负荷 图 4 分别对活塞环施加分布力负荷以及利用式(11)所求得的集中力负荷,并将二者分别代入到式(8)后得到的活塞环径向变形量两种负荷作用下,活塞环变形量基本保持一致,仅在(030)时有较小区别,这
21、是由于集中力负荷作用时,测点 1 到活塞环自由端不受任何外力,从而导致了活塞环径向变形量的不同 (a)分布力负荷 (b)集中力负荷 图 3 力负荷施加示意 Fig.3 Schematic of force load applied 图 4 不同类型负荷作用下曲梁变形量 Fig.4 Deformation of curved beam under different loadtypes 2.2 活塞环张力测量试验台 活塞环张力测量试验台由固定机构、数据采集系统和定位机构组成,其三维模型爆炸和试验台架如图5 所示 试验台设置有 5 个力传感器和 5 个位移传感器,其中,8 个传感器位置为对称分布,
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