2确立活塞的边界条件

采用有限元分析方法对内燃机活塞进行研究的步奏里，最重要的也是最难的就是确定活塞的边界条件。没有边界条件，活塞问题就无法求解。解析法、试验法以及试算法是目前所知道的实用的确定问题边界条件的三种方法。其中，解析法是三种方法中最简单、最方便、也是结果准确度最高的一种实用方法。也是研究人员最看好的一种求解方法。所以人们不断努力、尝试、改进、利用这种方法；如果求解的问题过于复杂，当无法利用解析法来确定边界条件时，试验法就是一种首选的求解方法，而且往往能够得到不错的效果，当边界条件既不能利用解析法来求解，试验测定的方法也无法确定边界条件时，这时人们往往先做一个边界值的假设，然后以该假设值作为标准进行试算。不断迭代计算，直到所得结果与标准值相一致，那么该值就是所要求解的边界条件。活塞的传热过程是及其复杂的，因此很难确定传热过程中活塞的热边界条件，但由于边界条件的重要性，所以人们通常采用两种方法来确定活塞的热边界条件。第一种属于第一类边界条件通常是测量活塞燃烧室的壁面温度并通过一些统计来确定活塞其他表面的温度，将这些数据作为分析计算活塞温度场的热边界条件；另外一种是第三类边界条件，就是确定活塞与其他介质之间的传热系数。由于很难测量活塞燃烧室的壁面温度以及热流量，而且测定整个活塞表面节点温度也很难实现，所以在对活塞的换热及热负荷的研究中，边界条件较多地采用第三类边界条件。但是也很难确定高温燃气与活塞之间的对流换热系数以及周围环境的精确温度，因此往往采用试算的方法，就是利用经验公式估算出活塞各边界与其他周边介质之间的换热系数和介质的燃气温度，并大多采用燃气或冷却介质的平均温度以及活塞与介质之间的平均换热系数作为边界条件来计算活塞的温度场[13]。

3活塞数值模拟方法的分析研究

在针对活塞有限元分析的数值研究模拟技术方面，除了数学研究领域的专家在数值模拟研究领域讲求运用研究高效、收敛速度快的万能解法之外,与此同时设计工程师们也在竭尽所能积极寻找针对某一特殊专业领域内的数值模拟计算方法,其目的是提高专业领域分析和解决专业问题的能力。例如大连理工的白敏丽教授所研究的课题利用有限元模拟算法,计算得出能够确保周期性研究瞬态传热求解精度的表面网格划分剖析解法,并通过这种方法对活塞燃烧室的壁面进行了传热计算。对半无限大级数解周期性非稳态导热的模型进行了深入的理论分析,证明了周期性的瞬态传热的温度波动深度和有限元网格尺寸具有一定的相似性,所以对于某种内燃机材料,只需对某一频率进行一次有限元问题求解,就能够把所得结果类推并推广到其他待解决问题的计算之中,白敏力教授采用理论研究分析与有限元模拟计算相结合的方法,深入探索讨伦一种能够具有普遍意义的网格剖分规则，从而制定里了能够获取高精度得有限元解析的网格剖分规则，并将该规则应用于内燃机,并重点描述网格剖分规则在内燃机中使用的具体办法，所以这种网格剖分方法具有一定的实用价值[14]。另外江苏科技大学的姚寿广教授讨论了边界元法在传热反问题上的有效性。边界单元法（BEM）是利用微分方程的基本解将求解微分方程的问题转变为求解边界积分方程的问题,接着在边界节点上利用选定的插值函数将问题方程离散分成若干代数方程组接下来再进行求解。与传统正问题求解边界条件相比较，边界单元法（BEM)避免了大量的迭代运算，过程繁琐，工作周期冗长的弊端，减少了大量的计算工作量，提高了计算研究效率而且方便、简单、快捷、容易操作。姚寿广教授采用上述边界单元方法（BEM)对某135柴油机活塞的温度场分布进行计算,并与有限元计算的结果进行对比。得出边界单元方法（BEM）用于热传导导反问题的研究是有成效的,相比与其它数值研究方法有着显而易见的优点。从两者计算结果的比较中看出,边界单元方法（BEM）对于在求解活塞温度场问题上也是很有效果的，不仅精度高，而且计算时间很短，而且很大程度上避免了大量冗长繁琐的计算、调试以及数据准备等准备工作。特别是对于活塞的稳态温度场问题的研究计算,由于边界单元法（BEM）具有上述独特的优势,使得边界单元方法（BEM）在工程研究领域能够替代有限元分析方法（FEA）成为一种足够高效的数值模拟计算工具[15]。