基于ANSYS的活塞應(yīng)力分析

1、海南大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目： 基于ansys的活塞應(yīng)力分析 學(xué) 號(hào)：20120507310093姓名：楊一鳴年級(jí)：2012級(jí)學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院系另ij:汽車系專業(yè)：車輛工程指導(dǎo)教師：程曉鳴2015 年 5 月 23 0完成日期：摘要活塞作為內(nèi)燃機(jī)中非常關(guān)鍵的一個(gè)零部件，其工作的狀況在很大程度 上直接影響著內(nèi)燃機(jī)正常地使用以及長(zhǎng)期的使用。活塞本身的結(jié)構(gòu)組成和 其在內(nèi)燃機(jī)中所處的工作環(huán)境都是非常復(fù)雜的，在正常的運(yùn)行過程中活塞 一方面會(huì)受到高壓燃?xì)鈮毫Α?cè)向推力和摩擦力等周期性載荷的作用。同 吋在工作狀態(tài)下由于可燃?xì)怏w在燃燒時(shí)產(chǎn)生高溫高壓，在這樣的環(huán)境下活 塞的頂部以及活塞整體的溫度都會(huì)特別高，

2、與之相伴的活塞會(huì)出現(xiàn)非常不 均勻的溫度分布，結(jié)果導(dǎo)致活塞會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力和熱變形?；钊趦?nèi)燃機(jī)中 運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于高溫環(huán)境的影響，會(huì)使得活塞發(fā)生一系列故障例如：裂紋、 活塞環(huán)膠結(jié)以及拉缸等。針對(duì)以上的分析，本文著重對(duì)某型活塞進(jìn)行了溫 度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)等的有限元分析。木文在三維制圖軟件ug中繪制了某型活塞的實(shí)體模型，轉(zhuǎn)換并保存 為iges格式，再導(dǎo)入到有限元分析軟件ansys中，以此來(lái)得到分析所需 的有限元模型。分析計(jì)算某型活塞相關(guān)的熱邊界條件和確定相應(yīng)約束，運(yùn) 用ansys軟件實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)分析，然后對(duì)活塞的熱狀態(tài)進(jìn)行分析判斷。最 后確定在熱負(fù)荷單獨(dú)作用下活塞各部分所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。關(guān)鍵詞：柴油機(jī)活塞；熱

3、負(fù)荷；有限元；溫度場(chǎng)；應(yīng)力；abstractthe piston is one of the major parts of the internal-combustion engine，its working condition concerns using normaly and durability of internal-conbustion engine firsthand.we all know that the structure of piston and its working environment are very complicatedjn working conditi

4、on,periodic load,such as high gas-pressure,thrust misalignment and friction force load on the piston.the bum of high-pressure gas produced high temperature makes piston top and whole temperature of piston very highland the temperature distribution is asymmetry,causing the piston to produce heat stre

5、ss and heat distortion.heat load make piston to produce crackle,piston-ring gluing and scuffing of cylinder bore and so on.so calculating and analyzing the piston temperature field and thermal force field，finding out the heat load state of the piston.in the 3d graphics software this text plot piston

6、 model and convert into iges format. and then import to finite element software of ansys.lt calculated the heat boundary and determined the setting of the lotus boundary condition and constraint.besidesjt got the result of stress and distortion under the function of heat load.keypoint:diesel piston;

7、thermai ioad;fem;temperature field;stress目錄1會(huì)者論11.1活塞有限元法研究的背景和研宄意義11.2研究主要內(nèi)容22ansys軟件介紹32.1 ansys軟件簡(jiǎn)介32.2 ansys軟件的主要技術(shù)特點(diǎn)32.3 ansys進(jìn)行有限元分析的主要步驟33活塞熱分析理論43.1熱分析的基木理論53.2溫度場(chǎng)53.3傅里葉定律導(dǎo)熱基本定律53.4導(dǎo)熱微分方程及定解條件63.5對(duì)流換熱理論94活塞的溫度場(chǎng)分析94.1活塞的熱負(fù)荷104.2實(shí)體建模104.3活塞有限元建模114.4單元類型的選取124.5活塞的網(wǎng)格劃分124.6活塞熱對(duì)流邊界條件134.6.1燃?xì)鈱?duì)

8、活塞頂部的換熱系數(shù)和燃?xì)馄骄鶞囟?34.6.2活塞火力岸、裙部和活塞環(huán)區(qū)換熱系數(shù)和環(huán)境溫度144.6.3活塞內(nèi)腔換熱系數(shù)154.7活塞的溫度場(chǎng)分析175活塞的熱應(yīng)力分析186結(jié)論和展望216.1結(jié)論216.2工作展望21至文i射2324參考文獻(xiàn)1緒論1.1活塞有限元法研宄的背景和研宄意義發(fā)動(dòng)機(jī)是一種通過燃料的燃燒產(chǎn)生熱能進(jìn)而轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的機(jī)械之 一，發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從起初的單缸燃燒到如今多缸、多種形式、多種 燃料。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中伴隨著新技術(shù)、新成果的創(chuàng)新應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)的 發(fā)展方向?qū)⒀咿D(zhuǎn)速、高功率和低油耗、低排放的路徑進(jìn)行1。提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率，就會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生一些負(fù)面影響。首先功率的提高就相

9、應(yīng)增加了活塞的熱負(fù)荷，致使活塞承受的溫度超出了其材料所能夠承受的 最高溫度，從而極大地降低了活塞材料的強(qiáng)度，最壞的情況會(huì)燒損活塞； 其次缸內(nèi)的爆發(fā)壓力急劇增大，導(dǎo)致活塞和缸體、缸蓋承受的機(jī)械負(fù)荷也 相應(yīng)增加，并因強(qiáng)度不足而受到破壞2。為了達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)高功率的要求，就需要特別考慮發(fā)動(dòng)機(jī)材料的選取。 發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的動(dòng)力樞紐，而作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的部件之一，活塞的工 作狀況如何直接關(guān)系到了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的好與壞。活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)中的工作環(huán) 境是極其復(fù)雜惡劣的。首先，會(huì)有非常大的機(jī)械負(fù)荷作用，其數(shù)值非常之 大，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊性。其次也是本篇論文重點(diǎn)需要分析研允的部 分，在發(fā)動(dòng)機(jī)不斷地進(jìn)行循環(huán)往復(fù)工作過程中

10、，活塞頂部直接與高溫燃?xì)?相接觸，正是由于活塞特有的工作特性，在內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)中，活塞成 為了比較容易出問題的一個(gè)部件。如果要保證內(nèi)燃機(jī)連續(xù)不斷地工作，就 需要活塞在較高的溫度和壓力下不斷的在缸套中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞在工作 過程屮受著熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的雙重作用力，此外活塞裙部還要經(jīng)受缸套 的側(cè)推力作用，如果潤(rùn)滑的條件又不好，這一切都將導(dǎo)致活塞發(fā)生嚴(yán)重的 磨損現(xiàn)象，因而大大降低活塞的性能3。在如此惡劣的工作環(huán)境中工作，活 塞很容易出現(xiàn)問題，進(jìn)而影響到柴油機(jī)的整體性能，由此可以看出，對(duì)活 塞進(jìn)行深入地研宄是多么重耍。燃?xì)庠谌紵覂?nèi)燃燒時(shí)，活塞的溫度可以 達(dá)到比較高的值。這樣一來(lái)，除了機(jī)械強(qiáng)度會(huì)發(fā)生

11、一定的改變，也會(huì)引起 很多問題，比如：材料的抗壓性、抗塑性變形能力等都隨之降低；高溫蠕 變會(huì)發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)有熱點(diǎn)產(chǎn)生在某些小局域；如果局部的溫度太大的 話，還會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致活塞出現(xiàn)塑性變形、熱裂和燒損等不可逆現(xiàn)象4。因?yàn)?在活塞頂這一地方出現(xiàn)的溫度差是相對(duì)比較大的，使得活塞出現(xiàn)較大的熱 應(yīng)力，導(dǎo)致活塞可能會(huì)有疲勞裂縫。另外，在進(jìn)行熱狀態(tài)分析時(shí)，對(duì)于第 一道環(huán)槽的溫度分布也是十分需要分析判斷的，一旦在溫度場(chǎng)中第一道環(huán) 槽的溫度過高，那么在這樣的工作環(huán)境下活塞環(huán)非常有可能會(huì)因?yàn)榄h(huán)帶處 出現(xiàn)的潤(rùn)滑汕失效而致使蘇卡在環(huán)槽內(nèi)，從而出現(xiàn)漏氣和串汕的現(xiàn)象。總而言之，活塞工作的環(huán)境主要就是高溫和高壓，活塞在運(yùn)

12、動(dòng)中不斷 地承受高溫燃?xì)獾耐鶑?fù)作用，不僅如此，還要承受往復(fù)慣性力等機(jī)械力的 作用。基于以上分析，本文試圖模擬活塞的工作環(huán)境，在ansys中獲得 溫度場(chǎng)的分布之后，對(duì)活塞的熱狀態(tài)進(jìn)行合理有效地分析，比對(duì)活塞的材 料屬性判斷合理性。我們從中可以直觀地了解到活塞的溫度分布情況，根 據(jù)它的溫度分布對(duì)活塞的熱負(fù)荷情況進(jìn)行其體分析，這樣也可以為活塞熱 應(yīng)力的分析提供基礎(chǔ)性材料，觀察判斷活塞的熱變形和熱應(yīng)力。1.2研究主要內(nèi)容課題研宂的具體內(nèi)容：(1) 根據(jù)活塞的實(shí)際尺寸，在三維制圖軟件ug屮建立活塞的實(shí)體模 型，通過iges文件格式導(dǎo)出模型數(shù)據(jù)，并將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ansys中， 由此能夠在ansys軟件中

13、獲取有限元分析的實(shí)體模型，從而實(shí)現(xiàn)cad和 cae軟件的結(jié)合。(2) 參閱資料和研宂成果，得到活塞熱分析的理論依據(jù)。(3) 利用熱力學(xué)理論以及相關(guān)的文獻(xiàn)資料，采用估算的方法來(lái)獲得發(fā) 動(dòng)機(jī)內(nèi)可燃?xì)怏w對(duì)活塞各部分的對(duì)流系數(shù)以及平均燃?xì)鉁囟戎怠?4) 在ansys軟件中進(jìn)行活塞溫度場(chǎng)的分析，通過溫度場(chǎng)分布對(duì)活 塞熱狀態(tài)進(jìn)行分析判斷，也為活塞熱應(yīng)力分析提供依據(jù)。(5) 把活塞溫度場(chǎng)的分析結(jié)果結(jié)合活塞的約束條件在ansys中進(jìn)行 分析，得出活塞在此溫度狀態(tài)k的熱應(yīng)力情況。2 ansys軟件介紹2.1 ansys軟件簡(jiǎn)介ansys軟件是由美國(guó)ansys公司開發(fā)的一套功能強(qiáng)大的有限元通用 分析程序，其站在了

14、世界有限元分析軟件的前沿，作為通用商業(yè)軟件， ansys軟件具有三大優(yōu)勢(shì)，一是功能完備的前后處理器，二是強(qiáng)大的分析 計(jì)算能力，三是圖形處理能力51。此外，在有限元分析屮顯示出的實(shí)用性、 先進(jìn)性和快捷性，早己被全球工業(yè)界廣泛接受。2.2 ansys軟件的主要技術(shù)特點(diǎn)（1）擁有前處理器和后處理器，可以實(shí)現(xiàn)前后處理，并ii還具冇多場(chǎng) 分析的功能。（2）擁有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析。（4）自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)多樣化。（5）擁冇良好的用戶開發(fā)環(huán)境。2.3 ansys進(jìn)行有限元分析的主要步驟這里主要指靜態(tài)分析的過程，由三個(gè)階段組成:前處理、求解和后處理。（1）前處理模塊前處理用于定義求

15、解所需的數(shù)據(jù)7。建立有限元模型對(duì)于求解分析非常 重要，運(yùn)算的難易程度以及結(jié)果是否合理，都是與所建立的有限元模型息 息相關(guān)，因此，建立一個(gè)合理的模型往往是在分析過程中耗時(shí)最多的部分|8。 建立幾何模型： 自頂向下與自底向上。用戶定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱 柱，稱為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高 級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型l6j。©ansys程序提供了完整的布爾運(yùn)算，能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。©ansys還具有了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)實(shí)體模型圖元的功能。建立實(shí)體模型吋應(yīng)該根據(jù)實(shí)際操作過程進(jìn)行有限元模型的適當(dāng)合理簡(jiǎn) 化，再根據(jù)設(shè)定好的網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型

16、進(jìn)行網(wǎng)格劃分。(2) 求解模塊有限元分析的主要目的是檢奔結(jié)構(gòu)對(duì)一定載荷的響應(yīng)程度，因此，在 分析屮需要給定合適的載荷條件，這一步是比較關(guān)鍵的:9。想要讓仿真更貼 近實(shí)際情況，更好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力特征，就必須要通過合理的加載 來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，合適的求解方式也能夠增加求解的精度并減少計(jì)算所花費(fèi) 的時(shí)間。常規(guī)的處理過程如下： 進(jìn)入ansys求解器； 定義分析類型和選項(xiàng)； 在模型上加載； 求解； 保存處理結(jié)果。(3) 后處理模塊后處理就是從結(jié)果文件屮提取選定數(shù)據(jù)，并利用圖像和數(shù)據(jù)列表的方 式顯示，以供用戶進(jìn)行分析和判斷求解過程的計(jì)算結(jié)果可以通過用戶 界面來(lái)獲得，并對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。3活塞熱分析理論

17、由于溫度差廣泛地存在于自然界和各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域當(dāng)中，所以說熱量傳 遞是一種非常常見的現(xiàn)象。熱分析所遵循的就是熱力學(xué)第一定律，即守恒 定律。能量守恒定律可表達(dá)為.q-w = au-aek +a£p(2.1)公式中：w代表功，2代表熱量，是系統(tǒng)的內(nèi)能，系統(tǒng)動(dòng)能，£,，系統(tǒng)勢(shì)能。3.1熱分析的基本理論穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷指的是活塞溫度場(chǎng)保持不變，經(jīng)過活塞頂部流入活塞內(nèi)部 的燃?xì)獾臒崃客耆扔诟鞑糠謧鬟f出來(lái)的熱量?；钊麅?nèi)部的熱量傳遞完全 遵循傅里葉定律，而且該部分熱量的多少完全取決于活塞義部與高溫燃?xì)?之間的對(duì)流換熱。因此，本文對(duì)活塞進(jìn)行的熱分析實(shí)際上就是一個(gè)對(duì)穩(wěn)態(tài) 熱問題的分析計(jì)判斷。3. 2

18、溫度場(chǎng)所謂溫度場(chǎng)，是指在某一瞬時(shí)，物體內(nèi)各點(diǎn)溫度的分布情況。物體內(nèi) 部產(chǎn)生導(dǎo)熱的起因來(lái)自于物體的各部分之間存在溫度差，因此在研究導(dǎo)熱 問題時(shí)一定會(huì)涉及到物體的溫度分布11。在一般情況下，溫度是空間坐標(biāo) (x，y，z)和時(shí)間(t)的函數(shù)，即:t = y,z,t)(2.2)在理論上，我們將各點(diǎn)溫度隨吋間f而改變的溫度場(chǎng)稱為非穩(wěn)態(tài)溫度 場(chǎng)，其中穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的表達(dá)式對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)為0,即：t = f(x, y,z)(2.3)在對(duì)于柴汕機(jī)活塞部件的熱負(fù)荷研究中，首要的就是確定其溫度場(chǎng)的 分布。3.3傅里葉定律導(dǎo)熱基本定律傅里葉在歸納總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了導(dǎo)熱的基木定 律，b|j:單位的時(shí)間內(nèi)

19、經(jīng)過單位面積的熱量(即熱流密度q)是正比于此 處的溫度梯度和截面面積u2即q = -aagradt = -aan 與(2.4)on式屮負(fù)號(hào)表示熱流密度的方向永遠(yuǎn)指向溫度降低的方向；a是材料的導(dǎo)熱系數(shù)，表征物體傳遞熱量的能力大小，單位是表示單位法向向量；|表示溫度在心方向上的導(dǎo)數(shù)。 on各個(gè)方向上的熱流密度分量由傅里葉定律的向量表達(dá)式的分量形式可 表示為：一又dtdt(2.5)drdz3.4導(dǎo)熱微分方程及定解條件(1)導(dǎo)熱微分方程我們?cè)谘袑]導(dǎo)熱問題的時(shí)候，最關(guān)鍵的一環(huán)是要確定出溫度梯度，而 想要確定出溫度梯度，必要先求解出導(dǎo)熱體內(nèi)溫度的分布一一溫度場(chǎng)。完 成這一過程，必須要建立能全面地描述出導(dǎo)熱

20、問題的溫度場(chǎng)的導(dǎo)熱微分方 程，這是前提條件，之后結(jié)合到具體的單值性條件來(lái)求解出方程，從而得 出特定條件下的溫度的分布。在傅里葉定律和能量守恒定律二者的理論棊礎(chǔ)上，推導(dǎo)得出丫導(dǎo)熱微 分方程式。微分方程式不是同一的，這是由我們對(duì)坐標(biāo)系做出不同的選擇 來(lái)決定的，木文只選取直角坐標(biāo)系來(lái)對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行討論。在需要分析導(dǎo)熱過程的物體內(nèi)選取邊長(zhǎng)為辦、辦、論的微元體，如 圖3.1所示。圖3.1導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)對(duì)于非穩(wěn)態(tài)及有內(nèi)熱源的問題，據(jù)能量守恒定律，熱平衡方程式是13:導(dǎo)入微元體的總熱流量+微元體內(nèi)熱源的生成熱-導(dǎo)出微元體的總熱流 量=微元體熱力學(xué)能的增量（2.6）任意方向的熱流量總可分為x、y、z三個(gè)坐

21、標(biāo)軸方向的分熱流量1111。導(dǎo)入微元體的熱流量，依據(jù)傅里葉定律可直接地寫出，即：dtdydzox-adxdzdy-adxdydz按照傅里葉定律，導(dǎo)出微元體的熱流量可做如下描述，即:(px+dx =+ dx)dydzoxox(/+v- dy)dxdz dydy冬(f + 與 dz)dxdydz dzdt單位時(shí)間內(nèi)微元體熱力學(xué)能的增量=pc-dxdydz dr式中，p為密度；c為比熱容；r為時(shí)間。(2.7)(2.8)(2.9)設(shè)單位時(shí)間內(nèi)單位體積中熱源的生成熱為單位為則有單位吋間內(nèi)微元體內(nèi)熱源的生成熱=（fidxdydz（2.10）假定人c、p都是常量。將式2.72.10代入式2.6可得(2.11

22、)殺+筍+吾)+adt pc dx dy dz pc上述導(dǎo)熱微分方程（2.11）是對(duì)常物性導(dǎo)熱問題普遍適用的導(dǎo)熱微分方 程。當(dāng)無(wú)內(nèi)熱源吋，方程可簡(jiǎn)化為(2.12)dt ,d2t d2t d2t.當(dāng)既無(wú)內(nèi)熱源又為穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，方程可簡(jiǎn)化為:(2.13)（2）定解條件完整描述導(dǎo)熱問題，需耍滿足兩個(gè)耍件。一個(gè)是對(duì)上述的方程式（2.11） 或（2.12）或（2.14）進(jìn)行求解，當(dāng)然，通過數(shù)學(xué)方法也可得到方程式的通 解。而要得到在特定的情況k導(dǎo)熱的問題的唯一解，就必定要附加上限制 條件，這就是第二個(gè)需要滿足的要件，此被稱為定解條件，它一般分為初 始條件和邊界條件。導(dǎo)熱微分方程和定解條件兩者結(jié)合到一起才能夠完

23、整 地描述出一個(gè)具體的導(dǎo)熱問題111。初始條件：給定初試時(shí)刻的溫度分布。邊界條件：給出物體的邊界上的溫度或換熱狀況。邊界條件通常可分為三類：第一類邊界條件。給定邊界上的溫度值。其給出的關(guān)系式是:r0時(shí)，tw =/.(r)(2.14) 第二類邊界條件。給定邊界上的熱流密度值。其給出的關(guān)系式是：一）w = ,2 dn（2.15） 第三類邊界條件。給定邊界上物體與周圍的流體間的對(duì)流換熱表而傳熱系數(shù)/7及周圍的流體的溫度z.,。第三類邊界條件為:onh(tw tf)(2.16)此式中，已知數(shù)據(jù)有兩項(xiàng)，即：流體溫度g和表而傳熱系數(shù)a ,未知數(shù)據(jù)也是兩項(xiàng)，即：邊界面的溫度心和溫度變化率(#)w。on3.5

24、對(duì)流換熱理論所謂對(duì)流換熱，指的是當(dāng)流體以一定速度經(jīng)過固體表面時(shí)，由于相對(duì) 溫差的存在使得二薺之間發(fā)生了熱量傳遞的現(xiàn)象。圖1表示流速為t/，溫度為7；的與溫度為7；的固體壁面間的對(duì)流換熱過程，其熱量交換可用牛頓冷卻公式來(lái)求得中=ha(tf - 7；.)或0 = hatw-tf )(2.17)式中，tak)物體的表而溫度;tf(k)流體溫度；a(m2)熱交換區(qū)域面積。圖3.1對(duì)流換熱過程 fig.3.1convective heat transfer process4活塞的溫度場(chǎng)分析4.1活塞的熱負(fù)荷首先，談?wù)劵钊麩嶝?fù)荷研究的必要性。我們知道，在發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸內(nèi) 不斷地進(jìn)行著燃料的燃燒，這一過程中又

25、不斷釋放熱能并轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 活塞在工作中要與高溫的燃?xì)庵苯舆M(jìn)行接觸，在這個(gè)狀態(tài)下，燃?xì)馐且?過活塞頂?shù)谋砻鎸醾鬟f到活塞的頭部的，之后主要是通過活塞環(huán)外圓和 缸壁內(nèi)表面的接觸將熱傳遞給冷卻介質(zhì)?；钊L(zhǎng)時(shí)間反復(fù)地在高溫惡劣的 環(huán)境下工作，不可避免地引起了零件材料使用強(qiáng)度的降低。導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn) 行中出現(xiàn)不可靠現(xiàn)象和故障的主要原因，是活塞在工作的過程中的溫度過 高和溫度差問題，所以，對(duì)活塞熱負(fù)荷的進(jìn)行分析研宂是十分必耍和有意 義的。從壁面周期性瞬時(shí)溫度波動(dòng)理論角度看，活塞頂表面的溫度會(huì)沿活塞 頂?shù)姆ň€方向以指數(shù)函數(shù)的關(guān)系很快地降低下來(lái)，一般來(lái)說，溫度的波動(dòng) 層都在2mm以內(nèi)，它不會(huì)對(duì)整個(gè)活塞的溫度

26、場(chǎng)分布產(chǎn)生太大的影響3。由 此可見，我們可以把活塞的溫度場(chǎng)近似地看作穩(wěn)定溫度場(chǎng)。4.2實(shí)體建模本文選擇了在三維制圖軟件ug中建立了某型柴油機(jī)的活塞模型。在 建模時(shí)，根據(jù)活塞相關(guān)的尺寸參數(shù)要求，運(yùn)用ug軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模。 在建模過程屮，考慮到使有限元軟件便于計(jì)算，因此，將活塞的部分結(jié)構(gòu) 做了必要的簡(jiǎn)化。如圖4.1所示。fig.4.1 simplified piston model圖4.1活塞簡(jiǎn)化模型4.3活塞有限元建模在進(jìn)行活塞的有限元建模時(shí)，采用的是在ug軟件中轉(zhuǎn)換成iges文件 格式并導(dǎo)出，之后再導(dǎo)入到ansys軟件中，以此來(lái)得到活塞有限元分析 的實(shí)體模型。如圖4.2所示。ttfc rw

27、anmir is 90uxotmsjs閣4.2活塞的有限元模型 fig.4.2 finite element model of piston4. 4單元類型的選取因?yàn)榛钊w的形狀是非常不規(guī)則的，尤其是在活塞的結(jié)構(gòu)中存在著 各種曲面，所以為了獲得科學(xué)有效的分析結(jié)果，本文在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的 分析時(shí)選取了 ansys單元庫(kù)中的solid90單元。solid90單元由20個(gè) 節(jié)點(diǎn)定義而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)溫度自由度，并可退化為具有10節(jié)點(diǎn)的 四面體單元、13節(jié)點(diǎn)的金字塔單元和15節(jié)點(diǎn)的五面體棱柱單元，且該單元 是具有高階的形函數(shù)，能夠模擬岀復(fù)雜曲面并能保證計(jì)算的精度，solid90 單元有適當(dāng)?shù)臏囟?/p>

28、協(xié)調(diào)形狀，可以用來(lái)模擬曲線邊界，可以對(duì)具有復(fù)雜形 狀的活塞進(jìn)行良好的單元?jiǎng)澐趾陀邢拊治鲇?jì)算2。因此solid90單元十 分適用于本次研究選用。4. 5活塞的網(wǎng)格劃分對(duì)活塞進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，首先要對(duì)網(wǎng)格尺寸和形狀進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定單 元網(wǎng)格尺寸主要是為了控制網(wǎng)格的粗細(xì)。ansys網(wǎng)格劃分屮有智能控制和 手動(dòng)控制。智能控制主要是選定單元粗細(xì)等級(jí)來(lái)控制單元數(shù)目，手動(dòng)控制 則是通過指定單元的邊訟或指定線上單元的分割數(shù)來(lái)控制單元的數(shù)目16。 由于活塞的模型不是規(guī)則實(shí)體，不能夠有效合理的人為設(shè)定網(wǎng)格尺寸，因 此優(yōu)先選用智能控制網(wǎng)格尺寸。網(wǎng)格劃分的方法選擇不可忽視。對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，有自由 網(wǎng)格劃分和映

29、射網(wǎng)絡(luò)劃分兩種方法，此兩種劃分方法各有各的優(yōu)勢(shì)，也各 有各的不足。一般來(lái)說，自由網(wǎng)格劃分的方法在實(shí)際應(yīng)用中更為普遍一些, 這是因?yàn)樽杂删W(wǎng)格相比于映射網(wǎng)格來(lái)說對(duì)單元的形狀沒有過高的限制以及 特定的準(zhǔn)則要求，自由網(wǎng)格可以更加方便地劃分任意實(shí)體171,當(dāng)然，此方 法不方便的一點(diǎn)是在求解的時(shí)候?qū)pu和內(nèi)存的要求也較高。但是，考慮 到本研究的模型并不復(fù)雜，相對(duì)簡(jiǎn)單一些，所以采用自由網(wǎng)格劃分更為方 便。該模型共有15833個(gè)單元，25190個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖4.3所 示。圖4.3活塞網(wǎng)格劃分 fig.3.3 piston meshing4.6活塞熱對(duì)流邊界條件本文在進(jìn)行分析的時(shí)候略去了熱輻射換熱

30、系數(shù)，這是因?yàn)椋瑑?nèi)燃機(jī)在 工作過程屮，可燃?xì)怏w對(duì)壁面產(chǎn)生的輻射換熱系數(shù)比對(duì)流換熱系數(shù)小很多, 到了可以忽略的程度?；钊麩嶝?fù)荷分析的關(guān)鍵是確定合理的熱邊界條件， 其直接關(guān)系到了活塞溫度場(chǎng)分析的準(zhǔn)確性，進(jìn)而決定了熱應(yīng)力和熱變形的 準(zhǔn)確性。分析活塞的實(shí)際運(yùn)行狀況和現(xiàn)在所擁有的實(shí)驗(yàn)手段，耍完令得到 熱分析的第一類邊界條件或第二類邊界條件，即使是知道活塞的邊界溫度 或熱流密度也幾乎是不可能的，所以不論是理論分析和實(shí)驗(yàn)研宂人們對(duì)活 塞熱邊界條件的選取通常選用第三類的邊界條件，即給定了邊界的外圍介 質(zhì)溫度和換熱系數(shù)n。4. 6.1燃?xì)鈱?duì)活塞頂部的換熱系數(shù)和燃?xì)馄骄鶞囟然钊c燃?xì)庵g的熱交換是一個(gè)瞬態(tài)過程，這

31、一性質(zhì)特點(diǎn)決定了，如 果想得到活塞的穩(wěn)定溫度場(chǎng)，要采用平均燃?xì)鈸Q熱系數(shù)和平均燃?xì)鉁囟茸?為第三類邊界條件值，一般采用較多的是修正后的eichelberg公式12:(3.1)式中：a表示修正系數(shù)，其值是常數(shù)，等于7.799;c,表示活塞平均速度，單位是m/s;尺表示燃?xì)馑矔r(shí)壓力，單位是maz;7；表示燃?xì)馑查g溫度，單位是k。確定燃?xì)鈱?duì)活塞頂?shù)钠骄艧嵯禂?shù)為凡,?？梢杂靡粋€(gè)循環(huán)求得：兒”=去!二凡卻（3'2）在一個(gè)循環(huán)中，可燃?xì)怏w向活塞組件頂面?zhèn)鬟f出的熱量與穩(wěn)態(tài)條件下 該傳熱量相等時(shí)的燃?xì)鉁囟龋褪侨細(xì)獾钠骄鶞囟龋?.3）和綜合平均燃?xì)?溫度（3.4），公式是：360"tgm72

32、0hd(p(3.3)-360r1720p,hd(p一360°172036(fj/w(3.4)-360°上式屮p是曲軸的轉(zhuǎn)角。4. 6. 2活塞火力岸、裙部和活塞環(huán)區(qū)換熱系數(shù)和環(huán)境溫度缸套與活塞之間通過三種介質(zhì)，即：活塞環(huán)、機(jī)油油膜與氣體彼此相 互隔開，它們之間進(jìn)行的熱量傳遞過程可以采用多層平壁傳熱模型進(jìn)行分 析，等效換熱系數(shù)的算法為11qj:1 及 1z-=> + （3.4h 人 hw式中：a分別表示氣膜、油膜、活塞環(huán)、缸套的厚；又為對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)；i表示缸套和冷卻水之間的換熱系數(shù)。它的數(shù)值可以用以下公式來(lái)計(jì)算，即：(3.5)式中：gv表示冷卻水流量，單位m3 / ;

33、a表示缸套冷卻腔平均截而積。表4.1等效換熱系數(shù)計(jì)算公式101部位名稱等效換熱系數(shù)計(jì)算公式火力岸1n b1 + + haohw第一氣環(huán)槽db=11ha32hw第二氣環(huán)槽1dbn2m2m2h+hha3a?a22a|2<)油環(huán)梢1/()t /0( ho( b1ha3 a() /lo a2hw活塞裙側(cè)表面1a21 + + haoa2 hw4. 6. 3活塞內(nèi)腔換熱系數(shù)在活塞的內(nèi)腔屮，其主要的冷卻方式是采用振蕩冷卻和油霧冷卻兩種 技術(shù)手段，由于振蕩冷卻技術(shù)方法相對(duì)比較復(fù)雜，人們更多還是把研究對(duì) 象鎖定為油霧冷卻。實(shí)踐表明，振蕩冷卻和油霧冷卻之間的換熱系數(shù)又難 以用一個(gè)很準(zhǔn)確的計(jì)算公式來(lái)確定出來(lái)。

34、按照熱平衡原理，穩(wěn)態(tài)時(shí)熱量的 流入和流出是無(wú)差別的，這樣，我們就可以使用傅里葉公式和牛頓公式來(lái) 計(jì)算內(nèi)腔壁而的換熱系數(shù)，公式為'h =(3.6)p t pi toil式中：2,表示活塞的導(dǎo)熱系數(shù)；么表示活塞頂中央位置至正下方活塞內(nèi)腔的壁厚；表示活塞頂?shù)钠骄鶞囟龋槐硎净钊麅?nèi)腔平均溫度；活塞內(nèi)腔下方汕霧的溫度。根據(jù)以上所有的公式和表格，可以得到活塞的第三類邊界條件，如表 4.2所示:表4.2活塞熱邊界條件邊界對(duì)應(yīng)區(qū)域環(huán)境溫度(°c )邊界換熱系數(shù)(w/m<°c)活塞頂部1100430火力岸180900燃燒室周面1100350地圈300中心面270第一氣環(huán)上沿120

35、1163內(nèi)沿930下沿1396第一環(huán)岸110175第二氣環(huán)上沿100814內(nèi)沿814下沿930第二環(huán)岸100175汕環(huán)槽上沿951400內(nèi)沿900下沿1500裙部80300內(nèi)腔上部902300內(nèi)腔中部1400內(nèi)腔下部1504.7活塞的溫度場(chǎng)分析眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞一直是在惡劣的受熱環(huán)境底下運(yùn)行的，從某 種意義上講，發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性是受活塞的使用可靠性直接影響的。那 么，活塞的熱狀況就成了要重點(diǎn)分析的因素，因此我們需要分析出其溫度 的分布是否合適，以及活塞的熱狀態(tài)情況，并由此得出計(jì)算活塞熱變形及 熱應(yīng)力的原始數(shù)據(jù)，對(duì)研究活塞的使用可靠性很有意義。研宄活塞的熱狀態(tài)，最重要的是分析活塞頂?shù)淖罡叩?/p>

36、溫度，它因?yàn)闅?缸的直徑大小而不同，直徑越大則溫度越高。不僅如此，加之大缸徑活塞 的壁相比小缸徑更厚，導(dǎo)致內(nèi)外壁而的溫差會(huì)更大，從而在活塞的內(nèi)部會(huì) 因此產(chǎn)生非常大的熱應(yīng)力。當(dāng)然在分析時(shí)活塞的熱狀態(tài)屮的第一環(huán)槽的溫 度數(shù)值也是需要非常重視的。如果第一環(huán)槽溫度過高的話，導(dǎo)致的結(jié)果是: 一方面會(huì)使環(huán)槽部分的材料強(qiáng)度逐漸降低，加快環(huán)槽的磨損，另一方面還 會(huì)影響氣環(huán)的密封性，還有較嚴(yán)重的是會(huì)使得環(huán)帶處潤(rùn)滑油結(jié)膠、結(jié)碳， 最嚴(yán)重情況甚至使活塞環(huán)卡死在環(huán)槽里，引起漏汕和申汕12。7n15 2016 xx:21:3b現(xiàn)在，根據(jù)前面已經(jīng)建立起的有限元模型，在有限元分析軟件ansys 的穩(wěn)態(tài)熱分析模塊中施加得出的

37、邊界條件，經(jīng)過計(jì)算后，在后處理中得到 了一系列結(jié)果111,如圖4. 5所示：modal 3olvtxovsubtike-2temp(mt&)9kv5kx89.96214.725339.491464.2s7589.023152.343277.108401.874526.646s1.4o6圖4.5活塞溫度場(chǎng)分布云圖fig.4.5 temperature distribution cloud chart of piston然后就能夠得出活塞的三維擴(kuò)展溫度分布云圖，如圖4. 6所示。annodal 50lvtion3obtike 之 /cxfavdcd tdif (aw)my5 番3kv 摩，

38、zm $1.406may 15 2016 14:15:1189.96214.72s339.491464.257589.023152.343277.108401.87452s.64651.406圖4.6活塞三維擴(kuò)展溫度分布云閣fig.4.6 temperature distribution cloud chart of piston three dimensional expansion 從活塞的溫度場(chǎng)分布云圖可以看出：(1) 整個(gè)活塞大體上的溫度分布是不均勻的，這種不平衡大體趨勢(shì)是 由上而下逐漸降低的一種狀況，在反復(fù)地變化的燃?xì)鉁囟鹊淖饔孟?，活?頂部的溫度分布數(shù)值上是最大的，位于活塞頂面和燃

39、燒室處，活塞的最高 溫度值是651.406°c。出現(xiàn)在活塞裙部底部的最低溫度值是89. 96°c。在活 塞火力岸處，溫度數(shù)值在152277 °c。對(duì)于第一環(huán)槽處溫度，其值在152214t之間，不會(huì)因?yàn)闇囟冗^高而使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)受到影響。(2) 活塞頂部的溫度較高的主要原因：在內(nèi)燃機(jī)中燃料燃燒的瞬吋， 釋放出大量的熱能，并隨之產(chǎn)生很大的爆發(fā)壓力，因?yàn)榛钊捻斆媾c之直 接，這必定會(huì)造成溫度大幅度攀升。(3) 活塞裙部的溫度值較低，主要原因是從環(huán)區(qū)以i的部分，活塞環(huán) 阻擋了高溫燃?xì)?，熱量傳遞較小。5活塞的熱應(yīng)力分析本文研究熱應(yīng)力對(duì)活塞的約束條件為在模型對(duì)稱面上施加對(duì)稱位移約

40、 朿。根據(jù)上章對(duì)活塞溫度場(chǎng)的分析結(jié)果如圖3. 4所示，可以看出整個(gè)活塞的溫度場(chǎng)分布狀況總體來(lái)說是趨近合理的。本章主要是在活塞的溫度場(chǎng)分 布的基礎(chǔ)上再對(duì)其進(jìn)行熱應(yīng)力的分析，溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分析所用的有限元 模型必須是一致的才能得到合理正確的結(jié)果。木文研究對(duì)象需要的物性參數(shù)如表5.1所示：表5.1活塞材料屬性參數(shù)屬性參數(shù)材料鋁合金彈性模量（mpa ）7.20e+10泊松比0.3密度（客/cm2）2.70導(dǎo)熱系數(shù)）130線膨脹系數(shù)2.1e-05an為消除位移對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，采用溫度場(chǎng)分析時(shí)所用的有限元模型, 并在活塞的應(yīng)力計(jì)算時(shí)給定約束。將溫度載荷由溫度場(chǎng)分析計(jì)算的結(jié)果直 接導(dǎo)入到應(yīng)力場(chǎng)屮進(jìn)行計(jì)算，

41、由此即可得到相應(yīng)的活塞熱應(yīng)力云圖和熱變 形云圖，如圖5. 1所示。kodal solutionstep=1 sub =1 tike=1.19zfo.157e+0b.313e+0b.49s+0白.624s+03.7972+07.2352+08.391s+03.s42+08.7022+08fig.5.1 heat stress cloud chartseqv <avg» dmx =.052526 smn =.196e+06 smx -.702e+08圖5.1熱應(yīng)力云圖modal solutionstep=1 sub =1 time=1dsdm (av5) rsys=0 dmx =.

42、52526 smn -.32272 smx -.s2s2an.32272.34522.36773.3902341274.4352may 15 2016 16:03:0045774.5027548025.52526圖5.2熱變形云圖fig.5.2 heat deformation cloud chart(1) 如熱應(yīng)力云圖5.1所示，我們不難看出熱疲力數(shù)值比較大的部位 在活塞中的分布主要為：活塞頂部與燃燒室的接觸處、燃燒室周圍、第一 環(huán)槽等。熱應(yīng)力最大值是70. 2mpa。在第一環(huán)槽處的熱應(yīng)力較大的原因無(wú) 外乎，此處的溫度較高，高溫的可燃?xì)怏w會(huì)直接作用于此處，形成大量的 熱量傳遞和交換。而環(huán)槽的

43、上部和環(huán)槽的下部由于溫度的變化比較人，因 此會(huì)造成比較大的熱應(yīng)力值。(2) 如熱變形云圖5. 2所示，熱變形的最大變形量為0.52526mm，可 以明顯看出最大變形量出現(xiàn)在了活塞頂部的溫度比較高的一側(cè)和燃燒室中 心，此外加之活塞材料具有一定的塑形彈性特征，會(huì)使得變形的程度是比 較的明顯。這就是我們分析熱負(fù)荷在單獨(dú)作用下的計(jì)算結(jié)果得出的基本結(jié) 論。燃燒室發(fā)生熱變形的分布大體上和溫度場(chǎng)的分布是一致的。造成活塞頂部變形量較大的原因是活塞頭部的溫度較高的緣故，而因 為活塞裙部的溫度是相對(duì)較低的則其變形也比較小。于是可以看到活塞整 體的變形是活塞尖部大裙部小的趨勢(shì)。6結(jié)論和展望6.1結(jié)論木文利用ug軟件

44、繪制活塞的實(shí)體模型，利用ansys軟件采用有限元 分析方法分析計(jì)算了活塞溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)，得到以下三個(gè)結(jié)論：(1) 在三維制圖軟件ug中建立有限元分析所需要的實(shí)體模型時(shí)，不 能忽視有限元分析法對(duì)幾何模型的具體要求，對(duì)一些很細(xì)小而且不影響分 析結(jié)果的結(jié)構(gòu)可以忽略。(2) 通過以上對(duì)活塞的溫度場(chǎng)分析可以知道，在活塞整體的溫度分布 中，其最高的溫度處于與燃?xì)庵苯咏佑|的活塞頂部以及燃燒室，最高溫度 是651.406°c,最低溫度是89.96°c,且總體上是自上而下逐漸降低的。(3) 活塞環(huán)區(qū)的溫度對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性是極為重要的，環(huán)區(qū)溫度過 高，將使?jié)櫥亲冑|(zhì)其至碳化，造成活塞環(huán)粘結(jié)

45、，失去活動(dòng)性，使環(huán)槽迅 速磨損、變形，嚴(yán)重時(shí)將造成拉缸等。因此需要考慮如何降低環(huán)槽去的溫 度，特別是第一環(huán)梢的溫度。(4) 活塞的軸向溫差較大，而且是非線性的，所以需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè) 計(jì)。(5) 在熱負(fù)荷的作用下，活塞的會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形。由云 圖可以看出，最大熱應(yīng)力和最大變形量分別是70.2mpa和0.52526mm,可 見活塞在熱負(fù)荷的作用下變形和應(yīng)力數(shù)值不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行，滿 足工作耍求。6.2工作展望因?yàn)閷?duì)于有限元分析領(lǐng)域的知識(shí)儲(chǔ)備不足，以及受到計(jì)算工具和時(shí)間 的限制，本論文對(duì)于柴油機(jī)活塞的分析計(jì)算還存在著許多的不足之處，在 以后的活塞有限元分析屮還應(yīng)該考慮許多方面的問題。(1)在熱分析中，對(duì)于活塞熱邊界條件的計(jì)算還是基于一些經(jīng)驗(yàn)公式， 同時(shí)也采用了一些簡(jiǎn)化處理，實(shí)際的傳熱過程是非常復(fù)雜的，而不僅僅是 第三類邊界條件就能滿足計(jì)算要求的。(2) 沒有對(duì)活塞在工作情況下所受的機(jī)械載荷進(jìn)行計(jì)算分析，并將熱 負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷在耦合場(chǎng)屮計(jì)算分析，與實(shí)際屮的活塞的運(yùn)行情況是有差 距的，期望在以后的分析中考慮進(jìn)去。(3) 在此次的分析中并沒有把