活塞是柴油机核心组件之一，活塞工作情况的好坏将会直接影响到发动机工作的可靠性和排放性等指标[1-3]。活塞工作时顶部需要承受高温燃气燃烧带来的大量的热，而高温会导致活塞强度降低，严重时可导致活塞不能工作，因此如何降低活塞温度成为了我们研究的重点[4-5]。冷却是改善活塞温度的主要方式，目前主要采用内冷油腔、底喷无油腔、无底喷油雾以及高位空心环内冷四种方式。在高强化的柴油机上仅采用底喷无油腔、无底喷油雾无法满足活塞的使用要求，必须对其进行强制内部冷却，也就是我们俗称的振荡冷却，又叫内冷油腔冷却法[6-8]。活塞通过内冷油腔带走大量的热，能够有效地降低活塞温度，因此研究内冷油腔对活塞温度场的影响是很重要的。
冷却油腔的形状对冷却效果有较大的影响，本文基于ANSYS有限元分析软件，通过改变冷却油腔的形状，分析计算出活塞温度场的分布。对比不同的冷却油腔形状和温度场分析结果，找到最合适的油腔形状，同时也为同类型的柴油机活塞设计提供了理论依据。
1 活塞有限元分析模型
本文研究对象是增压柴油机的活塞，材料使用硅铝合金，密度为2700Kg/m3,导热系数为141 W⁄(m∙k)，线膨胀系数，转速3600r/min，功率350KW，最大暴发压力为18.5MPa，燃气平均换热系数为875W⁄(m2∙k),燃气平均温度为1030。
1.1模型的建立
针图1(a)为某150柴油机活塞的几何模型，其中，活塞顶面、第一环槽以及内冷油腔是本次计算分析研究的重点。考虑到活塞的对称性以及计算效率问题，此次分析采用四分之一活塞，网格采用20节点四面体单元，网格密度为2mm。由于冷却油腔是本次的重点研究对象，所以将冷却油腔周围的网格进行加密，设置其单元长度为0.5mm，有限元网格如图1（b）所示，共计35992个节点，252368个单元。

（a）几何模型 （b）有限元模型
图1活塞的几何模型与有限元模型
Fig.1 Geometric model and FEM of the piston
1.2活塞温度场分析的基本原理
当发动机处于工作状态时可以将其视为稳态工况，认为活塞的温度不随时间变化，因此活塞的温度场就是为稳态温度场，其控制方程为[9-12]：

式中：为导热系数，单位：W/(m·K)
基于目前的实验和对发动机活塞正常工作情况的测试手段，要想通过第一、第二类边界条件来完成完整的活塞热分析是很困难的，因此在实际分析的时候都会采取第三类边界条件来分析活塞的温度场，第三类边界条件就是已知边界上物体与周围流体间的表面传热系数以及周围流体温度，为了分析问题的方便，在本次的活塞温度场分析中将活塞的传热看成是一个稳态的过程，并且此时活塞无内热源，其传热方程为：