基于有限元分析的S195活塞的改進設計

1、基于有限元方法的S195柴油機活塞設計摘要 本文針對將S195型柴油機的渦流室燃燒室改為直噴式燃燒室,對活塞的結構進行了改進設計。對改進后的發(fā)動機進行了熱力計算和動力計算，將計算所求得的最高爆發(fā)壓力和對應的加速度所產生的慣性力作為活塞最危險工作情況，利用有限元分析軟件ANSYS對其進行機械應力分析，得出活塞應力云圖和變形云圖，根據分析結果，活塞的最大應力和最大位移并沒有超出允許范圍,本設計滿足了改進后發(fā)動機的實際工況。 關鍵詞 活塞；ANSYS；內燃機The Design of Piston in S195 Diesel Engine Based on Finite Element Metho

2、dAbstract To satify the new condition of swirl chamber being changed into direct injection combustion chamber and improve the fuel economy , the structure of piston in S195 Diesel Engine was redesigned. The thermodynamic and power calculation were done .The combustion chanber and piston ring etc wer

3、e changed to adjust to the direct injection diesel engine. The maximum outbreak pressure obtained by calculation and the inertial force generated by the corresponding piston acceleration were recognized as the most dangerous working conditions, using ANSYS finite element analysis software for mechan

4、ical stress analysis , the piston stress and deformation cloud were obtained . According to the result of the analysis, the maximum stress and maximum displacement of the piston does not exceed the permissible range, the design can meet the actual engine operating conditions.Key words Piston ; ANSYS

5、 ; Internal Combustion Engine.目錄引言.11.直噴式S195柴油機熱力計算和動力計算.11.1 熱力計算.21.1.1 原始參數及己知條件.21.1.2 選定參數.31.1.3 氣缸工作過程計算.31.1.4 示功圖繪制.61.2 動力計算.82 活塞主要尺寸設計及強度計算.112.1 活塞的工作條件、材料以及設計要求.112.2 主要尺寸設計.122.2.1 燃燒室尺寸.122.2.2 頂岸高度.132.2.3 活塞環(huán).142.2.4 活塞頂厚度.152.2.5 裙部長度.152.2.6 銷座設計.152.2.7 活塞強度計算.163. 活塞有限元分析.1831

6、 三維實體建模.1832 有限元網格劃分.1933 機械負荷分析.193.3.1 計算工況及載荷確定.193.3.2 載荷施加過程.203.3.3 有限元分析結果.23結束語 .26致謝.27參考文獻.28引言柴油機廣泛應用于現代農業(yè)，是現代農業(yè)生產所必需的動力機械，涉及農、林、牧、副、漁各部門及其產前、產中、產后各作業(yè)環(huán)節(jié)。柴油機在農業(yè)生產上的應用中，固定式柴油機直接驅動各作業(yè)機械進行作業(yè)，如用于發(fā)電、農副產品加工等固定作業(yè)；移動式柴油機構成拖拉機或各種自走式農業(yè)機械帶動作業(yè)機械或工作部件進行作業(yè)，如用于耕整、播栽、中耕、噴霧、施肥、收獲等田間移動作業(yè)，同時，還承擔著農田基本建設中的挖掘、推

7、土、鏟運、平整、開溝和農用運輸等工作。而S195型柴油機是廣大農村中使用最廣泛的動力機械，它的設計是否合理，直接關系到廣大農村用戶的切身利益。然而，目前國內絕大部分農用S195柴油機均采用熱效率較低、經濟性較差的分隔式燃燒室，急待改進。針對原S195柴油機分隔式燃燒室改為直噴式燃燒室的情況，本設計對原有活塞的結構進行改進設計，以便更好滿足燃燒室改進后柴油機對燃燒室形狀以及活塞工作條件的要求?；钊莾热紮C的重要零部件之一，其結構和所處的工作環(huán)境十分復雜。在氣體壓力、往復慣性力等周期性載荷作用下，活塞產生很大的機械變形和機械應力。在灼熱的燃氣作用下，還產生很大的熱變形和熱應力。熱應力與機械應力迭加

8、可導致活塞破壞，而熱變形與機械變形迭加可導致拉缸。原S195柴油機分隔式燃燒室改為直噴式燃燒室后，活塞所承受的最高燃燒壓力和最高溫度將增大，這有可能使原來的活塞結構強度不能與之相適應，產生的機械應力和熱應力可能導致活塞破壞，活塞的工作壽命縮短。因此對活塞進行改進設計。本課題在原有活塞結構的基礎上力圖進行改進。首先計算分隔式燃燒室改為直噴式燃燒室后的最高燃燒壓力，再建立活塞的三維模型，將模型導入分析軟件ANSYS后，分析其在最高燃燒壓力下的應力、應變狀態(tài)及危險部位，從而為活塞的結構設計、優(yōu)化分析提供了充分的理論依據。1 直噴式S195柴油機熱力計算和動力計算內燃機工作過程計算是以理想的混合循環(huán)加

9、熱方式作為出發(fā)點，并假定其中的幾個過程的始終點是以活塞上下死點為準，求出各特征點的狀態(tài)參數，然后繪制出示功圖并用整圓系數加以修正.計算應用較簡單的關系式和利用一些經驗數據來處理實際的復雜過程。實踐證明，只要各過程中的主要參數能積累有較多的實驗參考數據并選擇得當，還是有一定的實用價值的。它還具有計算簡單及便于掌握應用的優(yōu)點。1柴油機工作過程估算在設計或研制一臺柴油機時起到以下幾個方面的作用：（1）通過估算可以初步了解與掌握各熱力參數之間的內在聯系，供柴油機在設計改進時進行分析和調整試驗時作參考。（2）柴油機動力計算和強度計算均需用本估算獲得的示功圖作為基礎。（3）提供增壓系統(tǒng)的設計參數如pk、G

10、k等或作為選配增壓器參數時的依據。1.1熱力計算1.1.1原始參數及己知條件(1) 沖程數 Z=4(2) 氣缸直徑 D=0.095 m(3) 活塞行程 S=0.115 m(4) 額定功率 Ne=8.82 kW(5) 額定轉速 n=2000 r/min(6) 平均有效壓力 Pe=0.65Mp(7) 活塞平均速度 Cm=7.67 m/s(8) 大氣壓力 P0=0.101Mp(9) 大氣溫度 T0=293 k(10) 柴油低熱值 Hu=43995 kJ/kg1.1.2選定參數根據本機特點及柴油機一般參考資料選取參數如下：(1) 壓縮比 =17(2) 剩余廢氣系數 r=0.06(3) 缸內廢氣溫度 T

11、r=1000 k(4) 進氣溫度 Ts=T0=293 k(5) 排氣溫度 Tt=600 k(6) 進氣壓力 pT0=0.101 Mp(7) 空氣進入氣缸后的溫升 ta=12 k(8) Z點熱利用率 z=0.75(9) b點熱利用系數 b=0.03(10) 豐滿系數 f=0.98(11) 有效油耗率 ge=0.248 kg/(kwh)(12) 進氣管壓力 ps=0.101 Mp(13) 進氣終點壓力 pa=0.0833 Mp(14) 最高爆發(fā)壓力 pz=7.84 Mp(15)平均多變膨脹指數 n2=1.22其中剩余廢氣系數r的選取范圍：0.03-0.06， ta選取范圍為；10-12K， 豐滿系

12、數f選取范圍為；0.96-0.98，n2選取范圍為；1.22-1.29;通過調整這么參數的范圍，使最終得出的Ne與 pe與原始參數不超過1,這樣選定了以上參數。1.1.3氣缸工作過程計算 (1)充量系數 (1)(2)過量空氣系數 (2)(3)平均機械損失壓力 (3)(4)進氣終點溫度 Ta (4)(5)壓縮終點壓力pc (5)(6)平均壓縮指數n1根據已求得的Ta和，查船用柴油機設計手冊(三)中圖2得n1=1.366(7)壓縮終點溫度 Tc (6)(8)氣缸工作容積 Vh (7)(9)氣缸壓縮容積 Vc (8)(10)理論空氣量L0 (9)(11)實際空氣量 L (10)(12)

13、燃燒產物 M2 (11)(13)分子變更系數 0 (12)(14)燃燒前后實際分子變更系數 (13)(15)壓縮終點定容摩爾比熱 Cv1m (14)(16)燃燒終點燃燒產物平均定容摩爾比熱 Cv2m (15)(17)壓力升高比 (16)(18)定壓燃燒終點溫度 Tz (17)(19)初膨脹比 (18)(20)定容燃燒終點氣缸容積 Vz (19)(21)后膨脹比 (20)(22)膨脹終點溫度Tb (21)(23)膨脹終點壓力 pb (22)(24)理論平均指示壓力 pi (23)(25)平均指示壓力 pi (24)(26)指示功率 Ni (25)(27)指示熱效率 i (26)(28)指示油耗率

14、 gi (27)(29)平均有效壓力 pe (28)(30)有效功率 Ne (29) 其中Z為氣缸數(31)有效熱效率 e (30)(32)有效油耗率 ge (31)1.1.4 示功圖繪制（1）壓縮線上任意點壓力： (32)（2）膨脹線上任意點壓力： (33)其中： (34) (35)根據以上公式及選定參數Pz可求出各曲軸轉角的氣缸壓力如下表：表1 工作過程氣體壓力氣缸壓力（Mp)曲軸轉角/()Pcx0.15-1000.23-800.41-600.89-402.26-203.38-10Pz7847Pbx6.62202.88401.44600.86800.59100 其中最高爆發(fā)壓力Pz一般出現

15、在上止點后7的位置。根據以上表格可畫出S195柴油機示功圖如下：圖1 S195柴油機示功圖1.2 動力計算連桿長度 l=0.21m曲柄半徑 r=0.0575m曲柄半徑與連桿長度比曲軸旋轉角速度活塞平均速度 表2運動參數的計算曲軸轉角(deg)活塞位移x(mm)活塞速度v(m/s)活塞加速度a(m/s)00.00000.00003212.8344101.11092.65513132.8683204.38855.17862899.1576309.67157.44922529.62374016.70489.36462052.07265025.159010.84891501.34996034.6538

16、11.8571915.82987044.784712.3763333.63878055.149512.4237-210.95629065.371712.0428-690.587110075.119111.2960-1086.922811084.117010.2568-1391.678812092.15379.0016-1606.415513099.07967.6017-1741.1859140104.79996.1174-1812.2307150109.26434.5936-1839.0321續(xù)曲軸轉角(deg)活塞位移x(mm)活塞速度v(m/s)活塞加速度a(m/s)160112.4531

17、3.0592-1841.1112170114.36381.5274-1834.9828180115.00000.0000-1831.6536 圖2活塞位移曲線 圖3活塞速度曲線 圖4活塞加速度曲線柴油機最大爆發(fā)壓力發(fā)生在大約曲軸轉角7，此時活塞加速度為3173.49m/s2。2活塞主要尺寸設計及強度計算2.1活塞的工作條件、材料以及設計要求活塞是內燃機的重要零部件之一，其結構和所處的工作環(huán)境十分復雜。在氣體壓力、往復慣性力等周期性載荷作用下，活塞產生很大的機械變形和機械應力。在灼熱的燃氣作用下，還產生很大的熱變形和熱應力。熱應力與機械應力迭加可導致活塞破壞，而熱變形與機械變形迭加可導致拉缸，因

18、此對活塞的材料有非常特別的要求?，F代發(fā)動機的活塞多采用鋁合金作材料。其主要優(yōu)點是質量輕且導熱性能好?；钊c活塞環(huán)相互摩擦，為使其工作性能達到最佳化，在選用原材料和工作面的涂覆材料方面，首先應考慮兩者間的匹配性。如：活塞環(huán)端面進行化學鈍化處理，則活塞應選用AEB5型共晶鋁(5%的Cu含量)作材料，且對活塞環(huán)槽進行磷化處理。隨著發(fā)動機功率的不斷提高和活塞工作壽命的不斷延長，普通的鋁合金活塞難以滿足要求，許多性能更好的新材料應用于活塞中。鋁基復合材料的性能已達到使用的最好材料Ni-resist，鑄鐵的水平，而制成活塞和活塞環(huán)后質量大大減輕，與普通鋁合金材料相比其高溫強度和抗熱疲勞性能明顯提高，并具有

19、較低的線膨脹系數。可提高活塞使用壽命，降低油耗和廢氣排放量，提高發(fā)動機功率。日本豐田汽車公司的發(fā)動機已廣泛采用這種材料，美國公司還研制出用以制作汽車發(fā)動機活塞的發(fā)泡石墨。這種材料具有比鋁高4倍，比銅高5倍的傳熱系數，以及相對密度低、質量輕、制取成本不高等特點，既可減小質量40%(與金屑制材相比)，又可散熱制冷，可有效地增加發(fā)動機輸出功率，改進工作效率。本文所要分析的活塞的材料為ZL109共晶硅鋁合金，在常溫下，彈性模量為E=7.1 1010 Pa，泊松比=0.31，密度=2 700 kg/m3，材料的許用應力為b=260 M Pa;200時材料許用應力b=196 MPa，材料線膨脹系數=19.

20、8010-6/，導熱系數=152W/(m)。2活塞組設計的要求:（1）重量輕且有足夠的剛度各強度；（2）避免燃氣通過活塞環(huán)竄入曲軸箱，并盡可能減少摩擦損失；（3）減少活塞頂從燃氣吸收熱量，并組織良好的冷卻，將活塞所吸收的熱量迅速地傳出；（4）保證活塞組與氣缸套之間有良好的潤滑，但又要降低滑油耗量；（5）環(huán)與環(huán)槽、活塞銷民軸承具有良好的耐磨性；（6）正確選擇活塞與氣缸套的配合間隙可防止活塞在上、下死點附近由于側壓力改變方向而產生活塞對缸套的撞擊，從而也減小噪聲和氣缸套的穴蝕；（7）易于制造、成本低。32.2主要尺寸設計 圖5燃燒室尺寸2.2.1燃燒室尺寸針對原S195柴油機分隔式燃燒室改為直噴式

21、燃燒室的情況，將燃燒室形狀改為能適應噴油形狀的形燃燒室。根據喉口側面角可將燃燒室分成開口型（90）、直口型（=90）及收口型（90）三種。收口型，dh較小，喉口熱負荷高，為防止喉口開裂及便于制造，取=90。燃燒室主要結構尺寸是喉口直徑dk及深度h，dk與h基本上決定了燃燒室的容積Vk。對性能影響較大的結構參數是相對容積比Vk/Vc（Vc為壓縮容積）及喉口直徑與氣缸直徑之比dk/D。Vk/Vc要盡可能大，一般Vk/Vc=0.750.85。因為直接噴射式發(fā)動機的混合氣形成和燃燒主要在燃燒室內進行，而在余隙容積V（包括活塞頂間隙容積、氣門凹坑、第一道活塞環(huán)上的狹縫容積等）中的氣體不能有效利用，所以應

22、盡量減少余隙容積，使空氣盡可能集中在燃燒室內，以改善空氣利用率。而且Vk/Vc增加，使燃燒室的相對散熱面積減小，擠流加強，有利于混合氣形成和燃燒。4dk/D一般在0.450.65范圍內，取0.65，即：dk=0.65D=62mmdk/h一般在2.53.5范圍內，取3.5，即：h=dk/3.5=18mm在PRO/E中算出的燃燒室的體積Vk為42857mm3，而壓縮體積為Vc為： (36)可得： (37)2.2.2頂岸高度頂岸高度即第一道活塞環(huán)槽到活塞頂的距離，h越小第一道環(huán)本身的熱負荷也越高，在保證第一道活塞環(huán)的工作溫度不超過允許極限（約180-220）的情況下，盡量縮小h以力求降低活塞高度和重

23、量。高速柴油機鋁活塞h/D的范圍一般為0.140.20，取h/D=0.147，即h=0.147D=14mm。2.2.3 活塞環(huán) （1）活塞環(huán)數 對于高速機，氣環(huán)一般為23環(huán)，油環(huán)一般為12環(huán)；為了降低活塞高度，減少活塞質量，將裙部的油環(huán)去掉，采用三道氣環(huán)，一道油環(huán)結構。 （2）活塞環(huán)的選取 第一道氣環(huán)采用氣密性、磨合性能較好的桶面環(huán)，第二、三道環(huán)采用錐面反扭曲環(huán)，其接觸線改變在環(huán)的下棱緣，刮油效果好，能有效控制機油。油環(huán)采用鋼片組合油環(huán)，它具有刮油性能好，機油消耗量少，回油通路面積大、不易積炭、工作平穩(wěn)、磨合性能好、缸套壽命長等優(yōu)點。用一道鋼片組合油環(huán)可替代二道開槽油環(huán)。（3）環(huán)岸高度第一環(huán)岸

24、（第一道氣環(huán)下面的環(huán)岸）溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂。所以第一環(huán)岸高度一般比其余環(huán)岸大一些。h1可按以下公式確定： (38) 式中：Z 環(huán)槽深度（mm） 許用應力（kgf/cm2）表3 環(huán)岸高度類別環(huán)岸高度與缸徑之比第一環(huán)岸h1/D其余環(huán)岸h2(h3)/D鋁活塞高速機高速大功率鋼頂組合活塞0.040.080.040.060.0250.0350.030.0450.030.040.020.03 其余環(huán)岸取h2/D=h3/D=0.0368mm，即：h2=h3=0.0368D=3.5mm2.2.4活塞頂厚度 是根據活塞頂部應力、剛度及散熱要求決定的，熱應力隨活塞頂高度增加而增大

25、，活塞頂厚度只要厚到能承受燃氣壓力即可。其大小可按下列公式估算： (39) 式中； B 考慮燃燒室形狀影響的系數，對平頂活塞B=1.4，對深坑形燃燒室活塞 B=1；2.2.5裙部長度高速柴油機的H2/D一般范圍為0.650.88，暫取0.65，即 ：H2=0.65D=71.5mm上、下裙長應有恰當的比例，上裙長度H4過小，易產生尖峰負荷造成活塞拉毛及擦傷。一般的比例為H3=(0.60.75)H2，暫取0.7，即：H3=0.7H2=50mm 2.2.6銷座設計 圖6活塞銷座尺寸選用鋼性銷座,銷座內孔直徑d =35mm, 銷座長度lp=22mm(1)銷座外徑db=1.41.6d,取1.4,即db=

26、1.4d=50mm。(2)銷座間隔b 銷座間隔一般從下表先取表4銷座間隔銷座形式b/D普通銷座035045階梯銷座b1/Db2/D0.250.350.350.55本設計的活塞的銷座為普通銷座, 選b/D=0.38, 即b =0.38D=36mm2.2.7活塞強度計算表5 活塞強度計算計算項目計算公式計算結果(kgf/cm2)許用值(kgf/cm2)活塞頂機械應力u104.5500第一環(huán)岸 彎曲應力w 剪切應力 總應力 237.36452620300400續(xù)計算項目計算公式計算結果(kgf/cm2)許用值(kgf/cm2)裙部比壓q15.358符號說明pz 最高爆發(fā)壓力D1 活塞頭部內徑 活塞頂

27、厚度D 缸徑h1 第一環(huán)岸高度H2 裙部長度Pz 最高燃氣作用力d 活塞銷直徑 銷座的工作長度3.活塞有限元分析 有限元法在科技和工程領域得到了越來越廣泛的應用，伴隨著計算機科學技術的快速發(fā)展，這種數值方法的應用范圍和領域必將被進一步拓寬。由于有限元法的通用性和有效性，使其在工程技術界受到高度重視，也讓許多高等工科院校把它列為本科生和研究生的學位課或必修課。工程實踐中的許多問題用單純的數學理論是無法解決的，實際中普遍存在的形狀復雜，邊界條件及載荷條件也復雜的結構問題，單純使用經典力學知識而不利用有限元法，計算分析起來會有困難。其次，在工程技術領域中有許多已知控制方程和邊界條件的力學問題或場問題

28、，無法用我們所學知識求得解析的精確解。不過實際上發(fā)現許多問題無需非得知道解析的精確解，只需求出近似的數值解就可以了，而我們可以保留問題的復雜性，利用數值計算方法求得問題的近似數值解。隨著電子計算機的飛速發(fā)展和廣泛應用，人們已逐步傾向于采用數值方法求解復雜的工程實際問題，而有限元法就是一種十分有效的數值方法。ANSYS軟件是一個非常成功的通用有限元分析軟件，它融合了結構流體、電場、磁場、聲場、熱傳導等領域及靜力學、動力學及邊界耦合問題分析于一體，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā)，它能與多數CAD軟件（如Pro/ENGINEER、NUSTRAN、I-DEAS、AutoC

29、AD）及機械仿真軟件（如ADAMS）接口，實現數據的共享和交換，是現在的設計中的高級CAE工具之一。 5 31三維實體建模 柴油機活塞是一個復雜的三維零件，由于活塞銷座的存在和內腔形狀復雜，為了真實、客觀地反映出活塞的實際工作狀況，在對其進行有限元分析時，應取活塞整體作為三維有限元的分析模型。因此，用ProE軟件建立活塞的三維實體模型。32有限元網格劃分為了獲得準確的計算結果，應合理選擇有限元網格劃分方案，這樣既能保證計算精度，又不會耗時過多。一般來講，單元劃分越細，計算精度就越高。6隨著計算機技術的不斷進步，在一定的計算時間內，計算機處理的單元數大大增加了，對于活塞這樣形狀復雜和溫度變化劇烈

30、的受熱條件，完全可以把單元劃得精細一些。本文采用20節(jié)點4面體單元solid95劃分活塞網格，由于活塞形狀復雜，因此采用自由網格劃分設置smart size值為7，網格劃分結果如圖7所示。圖7 活塞的網格劃分3.3機械負荷分析3.3.1計算工況及載荷確定選取最大爆發(fā)壓力工況作為計算工況，該工況曲軸轉角大致在7附近7，連桿傳給活塞的力只偏離y軸2，因此將只考慮y方向力的作用，即最大爆發(fā)壓力、活塞往復慣性力和活塞銷座分布力的作用。（1) 活塞頂所受的氣體壓力，其數值等于活塞的上部的燃氣壓力值減去曲軸箱內的氣體壓力.當采用簡化受力分析時，活塞受到的環(huán)岸處的氣體的壓力由于對稱的要求可以忽略掉，其余的活

31、塞部分受到的氣體的壓力時十分小，也可以忽略不計.因此活塞所受的力可以簡化為頂部及火力岸的氣體壓力.（2)由于動力學計算時，活塞運動做功時活塞會有加速度產生，活塞質量的存在必然會引起活塞整體的往復慣性力，慣性力以活塞加速度的形式施加在整個模型上，活塞運動加速度在動力計算時已求得，為a=3173.49m/s2。（3) 活塞銷處的受力為分布力，此分布力的大小為活塞頂部氣體的壓力與活塞的往復慣性力的差值，由于前面的兩個力已經加載到有限元模型上，因此只要約束銷座內孔上表面徑向位移。 由于要選擇的面是為兩曲面的各一部分，無法直接加載，因此將約束加在對應面位置的相應節(jié)點上。（4）為了防止活塞分析過程中發(fā)生繞

32、活塞銷座軸線的剛體轉動，限制活塞軸線y上任一節(jié)點的x、z方向位移。3.3.2載荷施加過程（1）協調單位的轉化 對于結構分析，這里的基本物理量有三個：長度、質量和時間，對于熱問題，還應該加上溫度，其他類型問題可能還有相應的基本物理量；其余物理量的單位必須由這些基本物理量的單位導出，而不能人為規(guī)定?；疚锢韺W量的單位可以自由選擇，其他物理量的單位則不能自由選擇，需要按相應的計算公式來導出。8由于建模時采用的是mm的長度單位，所以將模型導入ANSYS后，采用kg-mm-s的協調單位制，與計算有關的物理量單位如下： 密度：kg/mm3,加速度a；mm/s2,力f：mN,壓強p、應力和彈性模量E均為：K

33、pa。（2）慣性力的加載慣性力通常以加速度的形式加載，具體過程如下：MainMenu solution - define load apply structural inertia gravity global 出現 apply(gravitational) acceleration對話框，在global Cartesian Y-comp 右邊的方框中輸入加速度值 -3.17e6。（e6表示106）（3）銷座內孔上表面約束的施加過程1）建立局部坐標系按以下菜單點擊： Workplane local coordinate systems create local csspecified loc

34、+ ，出現 create cs at location 對話框，輸入銷座軸線y坐標0，90，0 點擊OK，進入create local cs at specified location 在type of coordinate system后選擇cylindrical 1,即柱坐標系，rotation about lacal y中輸入90 ，點擊OK，建立了位于銷座軸線處的柱坐標系。2）相應節(jié)點的選擇按下列菜單激活局部坐標系：workplane change active cs to specified coord彈出change active cs to specified cs 對話框，在c

35、oordinate system number 中輸入局部坐標系號11；點擊select entities 彈出select entites對話框，在第一個框中選擇areas,第二個框中選擇 by location,X coordinates在Min,Max框中輸入17.5接下來選擇from full,點擊apply后再點擊plot，繪圖框將顯示相應的四個面；在select entities對話框中依次選擇nodes 、attached to 、areas,all 、from full 點擊apply和plot，此時繪圖框中將顯示相應面上的節(jié)點；在select entities 對話框中順序選

36、擇 nodes 、by location 、Y coordinates 在min,max方框中輸入0，50 ，接下來選擇unselect 最后單擊apply 和plot,此時只顯示銷座內孔上表面上的所有節(jié)點；點擊mainmenu preprocessor modeling move/modify rotate node cs to active cs 彈出rotate nodes into cs 對話框，選擇pick all,這樣就將所有節(jié)點的節(jié)點坐標系轉向當前坐標系。3）銷座內孔上表面約束點擊 mainmenu solution define loads apply structural-

37、displacement on nodes 出現apply U,ROT on nodes 對話框，點pick all,在出現的對話框中的DOFs to be constrained 中選擇ux,點擊OK，這樣就限制了銷座內孔上表面上的所有節(jié) 點的徑向位移。（4）燃氣最高爆發(fā)壓力的施加對于比較復雜的圖形，在ANSYS中比較難選中預選的面，因此需要先選中預選面所在的大致區(qū)域，然后再選擇預選的面。最后在面上施加表面壓力。具體過程如下：Select select everythingSelect entities 在彈出的對話框中依次選擇areas、 by location 、Y coordinate

38、s 在Min,Max中輸入90，110，點擊apply 和plot,然后在select entities對話框中選擇依次選擇 areas by num/picked from full 點擊OK，然后用鼠標選擇預選面。點擊 mainmenu solution define loads apply -structuralpressure on areas,在彈出的對話框中點pick all,在彈出的apply PRES on areas 對話框中的load PRES value框中輸入壓力值7.84e3,這樣就完成了最大爆發(fā)壓力的加載。圖8 活塞的載荷施加情況（5）軸線上一節(jié)點的約束為了避免在分

39、析過程中活塞產生剛體擺動，限制軸線上一節(jié)點垂直活塞銷孔子軸線的運動，具體過程如下：Select enitities 在彈出的對話框中依次選擇nodes by location X coordinates 在Min,Max中輸入0,點擊apply,plot,在select entities 對話框中再依次選擇nodes by num/pick from full 點擊OK,彈出select nodes 對話框后用鼠標選擇活塞軸線上任一點,點OK, 點擊 mainmenu solution define loads apply structural force/moment on nodes,在彈

40、出的對話框中點pick all,又彈出一個對話框,在direction of force/mom 選擇FX,點擊OK,這樣就完成了此步操作。加載后載荷如圖8所示 333有限元分析結果活塞工作時受到氣體的爆發(fā)壓力和往復慣性力的作用，它們的共同特點是都沿著活塞的軸線方向作用，所以活塞的軸線方向承受著極大的載荷。由圖9可以看出，最大應力出現在活塞銷座上表面，這與理論分析相符。由于活塞在上止點附近向下運動時活塞銷會發(fā)生彎曲變形，使活塞銷座也出現變形，而銷座上表面的較大剛度阻止活塞銷座的形變，從而導致了活塞銷孔的上端出現了應力的集中。在活塞銷座處的最大應力為97MPa左右,還遠遠未超過活塞材料在200時

41、的最大許用應力196MPa，而活塞的其他部位應力值都在30MPa以下。圖9活塞應力分布另外,活塞加強筋與活塞的頂部相連的部位也會出現應力集中的情況如圖10,但其應力值同樣小于活塞材料的許用的應力值260MPa。氣體燃燒壓力和往復慣性力引起的活塞變形是不均勻的。在活塞銷穿過的一側，由于銷座的剛性較大，加上活塞銷的約束作用使活塞裙部的變形較小。而無活塞銷的另一側，裙壁較薄，又無軸向約束，則使裙部的變形較大。因此，活塞兩側的軸向位移相差0.09mm，如圖11所示，圖中網格線代表變形前的活塞位置。圖10 加強筋處的應力集中由圖12可見，活塞頂面呈彎曲變形，靠頂面下塌一側的活塞環(huán)槽壁向外擠壓,而靠頂面拱

42、起一側的活塞環(huán)槽壁向內擠壓.從而形成活塞頭部與裙部之間的周向間隙和接觸力分布不均勻,活塞最大變形量為0.036mm。未超過允許配缸間隙0.060.10mm9圖11 活塞變形圖圖12活塞變形剖面圖結束語 本文針對S195柴油機渦流室燃燒室改為直噴式燃燒室,對活塞的結構做了改進,通過有限元分析軟件ANSYS進行分析,得出了活塞在最危險工作條件下的應力分布與變形情況,結果表明活塞銷座內孔的上表面是活塞的應力較集中的地方,容易產生疲勞破壞導致裂紋的產生,同時活塞加強筋處也是應力較為集中的地方,活塞的最大位移和最大應力均未超出允許值，本設計可以適應S195柴油機直噴化改造后的實際工況。致謝本課題在選題及

43、研究過程中得到鄭老師的悉心指導。鄭老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。本論文從選題到完成，每一步都是在鄭老師的指導下完成的，傾注了導師大量的心血。在此，謹向導師表示崇高的敬意和衷心的感謝！參考文獻1船用柴油機設計手冊編輯委員會.船用柴油機設計手冊(三).國防工業(yè)出版社,19792黃震，張繼春，徐斌，李興虎.基于有限元的活塞優(yōu)化設計分析.昆明理工大學學報,第31卷第3期,2006年6月3柴油機設計手冊編輯委員會.柴油機設計手冊.中國農業(yè)機械出版社,19844周龍保.內燃機學.機械工業(yè)出版社,20055張洪信,趙清海等.ANSYS有限元分析完全完全自學手冊

44、.機械工業(yè)出版社,20086施培文,杜愛民.發(fā)動機活塞熱分析.內燃機第3期,2006年6月7陳永東,鐘紹華.內燃機活塞的有限元分析.輕型汽車技術,2006年11月8張樂樂,譚南林,焦風川.ANSYS輔助分析應用基礎教程.清華大學出版社,北京交通大學出版社,20069柯開波.談談發(fā)動機的配缸間隙.內燃機,1998年第一期10 N.A.Ivashchenko,R.A.Nasyrov and A.V.Timokhin . EVALUATION OF THE THERMAL AND STRESS-STRAIN STATE OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE PISTON BY THE FINITE-ELEMENT METHOD .Problemy Prochnosti ,No.2,m pp.62-67, February , 1980.11 WT.Evans and G.C.Premier . Holographic Analysis of the Deformation of a Diesel Engine Piston. Experimental Mechanics457 ,198912 張宗杰.內燃機課程設計指南.華中理工大學出版社,199513船用柴油機設計手冊編輯委員會.船用柴油機設計手冊(五).國防工業(yè)出版社,1979