基于COMSOL的通航活塞发动机多物理场变维度仿真研究

摘要：航空发动机是飞机的核心动力装置，其可靠性水平不仅影响着飞机的工作性能，还会影响航行安全。然而，复杂的结构和工作原理使其难以准确地测量和表征其服务性能。同时，多学科耦合加剧、发动机机件间影响加深，航空发动机受尺寸、载荷、材料性能、工况等随机不确定性因素逐渐显现，进一步增加航空发动机结构可靠性分析难度。本文搭建水平对置四缸通航活塞发动机多物理场变维度仿真模型。建立航空发动机主要机件的热力学和多体动力学仿真模型，该模型包括二维汽缸活塞组热力学分析模型和三维发动机传动系统多体动力学模型。关联燃气压力和连杆所受最大应力，将热力学分析系统响应值输入到多体动力学系统中，进而高效获取连杆所受最大应力的性能预测结果，显著降低通航发动机仿真试验成本和发动机仿真建模难度。

关键词：航空发动机；变维度仿真；

0 引言

随着计算机技术的发展，许多学者展开对发动机参数测试技术和整机仿真方法研究。宋等[1]研究了发动机性能参数、结构/强度参数、气动热力参数等参数的测试技术，说明了加强数据有效性研究、建立发动机关键参数测试技术标准体系的重要性。王等[2]在航空发动机零维总体性能仿真过程中引入高维度因素影响，建立航空发动机变维度总体性能仿真方法，列举了当前基于变维度仿真技术在发动机设计的应用成果，验证了航空发动机变维度仿真方法的有效性，准确性。本文基于水平对置四缸活塞发动机传动系统，依次建立航空发动机汽缸活塞组二维热力学模型、传动系统三维多体动力学模型，得以模拟航空发动机内部传动系统在流固热耦合物理场内的运行参数，从而得到更为准确的航空发动机结构可靠性参数。

1 汽缸活塞组二维热力学仿真

1.1 汽缸活塞组二维热力学模型

热力学分析的目的是获得燃料混合气的压缩及燃烧引起的汽缸内部压力变化。利用COMSOL“传热”接口和“系数形式偏微分方程”接口执行此分析。本文建立的刚性绝热汽缸活塞组基于以下假设和简化方法。

（1）汽缸活塞组模型内，只有空气被视为流体。

（2）燃料混合气燃烧产生的热能在整个域均匀分布。

（3）忽略汽缸内对流效应。

（4）所有方程均在原域内求解，并分析了汽缸内部体积变化的影响。

在对热力学模型进行网格划分时，设置网格划分单元大小为“更细”情况的热力学分析结果与“超细”、“极细”单元的分析结果一致。因此，考虑到热力学仿真计算效率，对所构建的二维汽缸活塞组模型进行较细化网格划分，网格包含308个域单元和46个边单元。汽缸活塞组网格划分结果如图1所示。

燃气燃烧推动活塞做功时，汽缸内部温度升高、压力功也随之增加。活塞汽缸组内部的温度分布利用传热方程模拟，压力分布采用理想气体方程建模，理想气体方程如下：

其中p， m，V， R和 T表示汽缸内部压力、空气质量、汽缸当前容积、比气体常数和汽缸内部温度。

汽缸当前容积V由初始汽缸容积减去活塞扫过的体积计算得到，活塞位移随曲轴旋转角度的变化而变化，其表达式如下

其中、和分别表示活塞位移、曲柄半径、连杆长度和曲柄角。

1.2 汽缸活塞组二维热力学结果分析

通航发动机汽缸活塞组二维模型热力学分析结果如图2所示。其中图2（a）为汽缸活塞组内一个汽缸的P-V图。横坐标表示汽缸当前容积，纵坐标为汽缸内压力。在压缩行程期间，活塞往复运动逐渐靠近上死点，燃料混合气的体积被压缩，汽缸内压力随之增大。随后燃料混合气被点燃，汽缸内温度、压力增加。最后，汽缸内燃气推动活塞回到下死点，执行膨胀行程。在膨胀行程中，汽缸内部压力降低。图2（a）封闭区域是曲轴旋转一整转产生的机械能的量度。图2（b）为汽缸内压力随曲轴转动的变化曲线。此曲线描述了汽缸在压缩行程、膨胀行程期间的压力变化，在多体动力学分析中，该曲线将作为指定活塞顶面上的压力。

2 传动系统三维多体动力学仿真

2.1 传动系统三维多体动力学模型

多体动力学参数设置完成后，对构建的多体动力学模型进行网格划分。网格划分结果如图3（a）所示。区域内包含148879个域单元、56468个边界单元和16622个边单元。图3（b）为t=0.16s时柔性连杆的应力分布。可以看出，最大应力出现在连杆顶部附近。

2.2传动系统三维多体动力学结果分析

图4显示柔性连杆与曲柄销之间的关节力。力在z方向最大，在x方向几乎为零。当活塞接近上死点时，这些力达到最大值。关节力的符号变化意味着柔性连杆在其运行期间从压缩状态变为拉伸状态。

3 结论

本文主要介绍了一种通航活塞发动机多物理场变维度仿真模型的搭建方法及相应的仿真结果分析。首先，建立汽缸活塞组二维模型，并进行热力学分析，得到汽缸内P-V图和汽缸内压力变化曲线。然后，建立发动机传动系统的模型，并将汽缸内压力曲线应用于活塞顶部。最终，分析了其中一根柔性连杆的应力分布图，得到连杆关节力变化曲线。通过多体动力学分析结果可以看出，发动机连杆所受最大应力出现在连杆顶部附近。

参考文献

[1]宋振宇， 周鑫. 航空发动机测试技术发展及展望[J]. 航空发动机， 2025， 51（01）： 1-11.DOI： 10.13477/j.cnki.aeroengine.2025.01.001.

[2]王潘， 唐梓杰， 李清， 等. 航空发动机变维度总体性能仿真方法研究现状及展望[J]. 航空动力学报， 2025， 40（02）：20-32.DOI：10.13224/j.cnki.jasp.20230418.

作者简介：刘鹏翔（1999-）男，满族，河北承德人，学生，研究生，西华大学，研究方向：结构可靠性，多保真度代理模型。