基于Proe的活塞有限元分析實例(共42頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于Proe的活塞有限元分析實例目 錄一、力邊界下活塞的有限元分析建好模型后，進入分析模塊1.指定材料：點擊材料分配工具，在彈出的對話框中點更多彈出對話框中選擇新建對話框中輸入如下ZL109材料的參數(shù)，并切換到熱標簽，輸入?yún)?shù)確定后返回到材料出選擇ZL109，點擊確定將材料分配給活塞，因為文檔中只有一個零件，所以自動分配好。2.約束確定選擇位移約束工具，曲面選擇銷座圓孔面，將其三個平移自由度和三個旋轉(zhuǎn)自由度設(shè)置為固定3.載荷施加柴油機活塞的頂部與環(huán)岸燃氣爆發(fā)壓力一般簡化為均勻分布在其表面,所示，而且一般情況下施加于活塞的第一環(huán)槽底部的壓力為氣體壓力的76%，而施加到第

2、一環(huán)岸和第二道環(huán)槽上面及下面的壓力為氣體殘壓的25%，到第二道環(huán)槽底時只剩下20%的氣體殘壓施加到其上，由于燃氣不斷膨脹，壓力越來越小，能到達第二環(huán)槽以下的殘余燃氣壓力變得特別的小，基本可以忽略不計。選取最大爆發(fā)壓力工況作為計算工況，所受載荷有最大爆發(fā)壓力、活塞往復(fù)慣性力和活塞銷座分布力的作用。按照前述計算，并選擇面施加氣壓缸內(nèi)氣壓/MPa氣體壓力Fg/N往復(fù)慣性力Fj/N11.80611.300987036.選擇壓力載荷工具，打開的對話框中選擇頂面，燃燒室各面及火力岸，壓力載荷為前述計算的最大氣壓繼續(xù)添加載荷慣性力的施加以加速度的形式加載，按照慣性力計算Fj=-maa=-Fj/m=21397

3、mm/sec24.新建靜力分析選擇分析和設(shè)計研究工具，新建靜態(tài)分析輸入如下設(shè)置，并確定在stru選中下，點擊運行，幾分鐘后計算結(jié)束5.結(jié)果查看及分析在stru選中下，點擊結(jié)果查看彈出的對話框中選擇應(yīng)力，確定并顯示圖 1力邊界條件下活塞應(yīng)力云圖（單位MPa）由圖可以看出, 活塞受到氣體的爆發(fā)壓力和往復(fù)慣性力的作用, 它們的共同特點就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。由于活塞在上止點附近向下運動時活塞銷會出現(xiàn)彎曲變形, 使活塞銷座出現(xiàn)異形變形, 而銷座上端的較大剛度阻止活塞銷座的形變, 從而導(dǎo)致了活塞銷孔的上端出現(xiàn)了應(yīng)力的集中。在活塞的銷座得出的最大應(yīng)力為198.1

4、MPa 左右,已超過活塞材料在常溫下的最大許用應(yīng)力195 MPa。而活塞的其他部位應(yīng)力值都在許用應(yīng)力195 MPa 以下。另外, 活塞加強筋與活塞頂部相連的部位也會出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況, 但其應(yīng)力值約為185 MPa。在結(jié)果查看界面進行復(fù)制，來查看變形云圖圖 2力邊界條件下活塞變形云圖（單位mm）模擬計算出柴油機活塞的整體變形分布情況如圖所示?；钊冃沃凶畲笾禐?.0485mm，位于受活塞兩側(cè)的活塞裙部的下部邊緣，活塞的整體變形是以活塞銷孔為變形最小的區(qū)域，不斷向四周擴散，變形量也逐漸增加?；钊敳考叭紵易冃瘟看蟾旁?.038mm到0.012mm之間，相對來言頂部比燃燒室底部變形大?；钊h(huán)岸及

5、裙部區(qū)域的變形大概在0.03mm到0.0015mm之間。在活塞單獨機械負荷作用下，由于加入了燃氣壓力，活塞裙部、活塞銷座等區(qū)域應(yīng)力值大大增加。而活塞裙部下側(cè)處的剛度非常低，因此出現(xiàn)較大變形?？紤]原因可能是活塞的頂部在沿活塞銷孔軸向發(fā)生彎曲，這樣會使裙部稍有向外增大的趨勢，再者活塞在高溫下本身就會膨脹，所以活塞的裙部變形會比較大。二、熱分析1.概述活塞熱邊界條件的確定通常采用第三類邊界條件，即給定邊界的外圍介質(zhì)溫度和換熱系數(shù)。主要包括活塞各邊界與燃氣、冷卻水、冷卻油、曲軸箱內(nèi)油霧以及自由環(huán)境之間的換熱系數(shù)和相應(yīng)溫度?；钊敳繐Q熱系數(shù)及燃氣平均溫度利用AVL 公司的BOOST 軟件對發(fā)動機缸內(nèi)工作

6、過程進行仿真計算，得到發(fā)動機在標定工況下的缸內(nèi)燃氣溫度及其對流換熱系數(shù)。下圖所示: 活塞頂面燃氣溫度高達1900 K，燃氣平均溫度為9001000 K，對流換熱系數(shù)平均為500600W/(m2·K)。 活塞側(cè)面換熱系數(shù)和環(huán)境溫度活塞側(cè)面的熱量通過氣缸套間接傳給冷卻水，其換熱系數(shù)按式( 1) 計算，以冷卻水溫度作為環(huán)境溫度。式中: 1、2、0分別為活塞環(huán)、氣缸壁和間隙內(nèi)油或氣的導(dǎo)熱系數(shù);為氣缸壁與水之間的換熱系數(shù)，f為平均水溫時水的導(dǎo)熱系數(shù)，deq為水套當量直徑，Nuf為努塞爾特準則數(shù)?；钊麅?nèi)側(cè)換熱系數(shù)和環(huán)境溫度活塞內(nèi)側(cè)頂部布置了冷卻油道，底部主要與油霧接觸，故活塞內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度取曲軸箱

7、內(nèi)機油的溫度，換熱系數(shù)自下而上取為300 500 W/( m2·K) ?；钊幍墓ぷ鳝h(huán)境決定了其溫度分布極其復(fù)雜，活塞經(jīng)冷卻介質(zhì)帶走熱量的途徑很多，可經(jīng)活塞環(huán)，氣缸套把熱量帶走，也可以經(jīng)氣缸套直接帶走。而活塞與活塞環(huán)、活塞環(huán)與氣缸套、活塞與氣缸套之間，既有油膜又有氣隙，并有相對運動。因此，以上通過仿真計算、經(jīng)驗公式和經(jīng)驗值所得到的熱邊界條件可能與活塞實際的傳熱邊界條件相差很大。為了得到更為精確的熱邊界條件，需要對比活塞溫度場計算結(jié)果與活塞上對應(yīng)測點的溫度值，不斷修正邊界條件，直到計算結(jié)果較為接近實測結(jié)果。表1 為最后得到的活塞在標定功率工況下的穩(wěn)態(tài)邊界條件。2.添加熱邊界條件切換到

8、熱模式點擊對流條件工具，選擇曲面，并按表1輸入對流系數(shù)和體表溫度繼續(xù)添加邊界條件按表1逐一添加熱邊界條件，最后如下3.新建熱分析彈出對話框設(shè)置如下點擊運行，開始計算，幾分鐘后完成4.結(jié)果查看及分析點擊結(jié)果查看選擇溫度，確定并顯示。顯示后在復(fù)制一個溫度梯度云圖圖 3熱邊界條件下活塞溫度分布（單位）圖 4熱邊界條件下活塞溫度梯度（單位/mm）活塞頂部與燃燒室接觸的內(nèi)側(cè)溫度最高，從活塞頂部內(nèi)邊緣到活塞頂外邊緣，隨著活塞半徑的增大，溫度逐漸下降。最高溫度為428 ,出現(xiàn)在活塞頂靠近燃燒室的內(nèi)側(cè)邊緣處；活塞頂部最低溫度約為381 ，位于活塞頂部外邊緣；燃燒室底部中心溫度較高達到403；周圍底部一圈溫度逐

9、漸降低，最低溫度約為 372；火力岸溫度為 399；第一環(huán)槽區(qū)最高溫度為 367 ，位于活塞的第一環(huán)槽上端面，活塞環(huán)岸及裙部自上向下溫度依次降低。活塞銷處的最高溫度大概333左右，位于活塞銷靠近活塞內(nèi)腔側(cè)；活塞內(nèi)腔溫度最高值為 377左右；活塞裙部溫度不高，裙部的最高溫度 311，位于活塞銷孔正上方；最低溫度 158 ，位于活塞裙部下沿。從溫度分布分析可知，活塞的整個溫度偏高，這是因為模擬過程中沒有考慮冷卻方式，也沒有考慮活塞實際工作中潤滑油的飛濺冷卻，因此得到的溫度分布總體來說偏高，特別是頂部最高溫度、燃燒室底部溫度、第一環(huán)槽和第一環(huán)岸的溫度。由活塞的溫度梯度云圖, 最大溫度梯度值為16.9

10、/mm, 最小的溫度梯度值為0.068/mm, 最大溫度梯度的位置是活塞的第三環(huán)槽處, 且在該處的溫度梯度變化較為劇烈, 迅速從最大值降低到了大部分活塞的溫度梯度水平, 整個活塞的溫度梯度值大部分都在6.0/mm以下。從溫度梯度的值也可以判斷出熱量主要由活塞環(huán)區(qū)流出, 只有少部分是由活塞銷和裙部傳出, 更有少部分是由活塞的背面?zhèn)鹘o曲軸箱和冷卻油。三、熱力耦合1.熱載荷施加在壓力分析和熱分析完成的前提下，進行熱力耦合分析，分析界面切換到結(jié)構(gòu)分析然后將熱分析以力載荷的形式加載到力分析中去選中使用前一設(shè)計研究，表示將要轉(zhuǎn)化的分析為之前的熱分析，參照溫度20°，表示應(yīng)力為零時的溫度2.靜態(tài)分

11、析選擇分析和設(shè)計研究工具選擇新建靜態(tài)分析名稱輸入str_therm，約束和載荷分別采用默認，收斂方法采用單通道自適應(yīng)即可在str_therm選中下，點擊運行按鈕，幾分鐘后分析結(jié)束3.結(jié)果查看點擊結(jié)果查看，在下圖選擇應(yīng)力，單位Mpa結(jié)果如下圖 5活塞的熱力耦合應(yīng)力（單位MPa）圖 6活塞的耦合變形（單位mm）四、敏感度分析Pro/M通過變更設(shè)計參數(shù)來達到改變幾何形狀的目的。明顯地，改變幾何形狀將會導(dǎo)致應(yīng)力分布、變形等參數(shù)發(fā)生改變，借助于Pro/ENGINEER模型的全參數(shù)性、關(guān)聯(lián)性以及兩者數(shù)據(jù)的無縫集成，Pro/M可以很方便的提取到Pro/ENGINEER參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計參數(shù)。本文中研究最

12、大應(yīng)力對于三個不同模型參數(shù)的敏感度，分別是銷座圓角，銷座間距及頂壁厚1.增加設(shè)計參數(shù)切換到標準模塊雙擊銷座圓角，顯示出R3選中R3并右鍵，選擇屬性在名稱中輸入R，表示設(shè)置圓角半徑為參數(shù)R同樣雙擊銷座的草繪平面，在18上右鍵并命名為L，表示銷座的間距，此數(shù)值表示草繪平面與中心面的距離，數(shù)值越大則銷座長度越小， 雙擊內(nèi)腔的草繪，選擇21.8右擊并命名為h，21.8與頂壁厚關(guān)聯(lián)，數(shù)值越大，頂壁厚越厚。 2.定義敏感度分析切換到分析模塊，新建敏感度分析在打開的對話框中輸入?yún)?shù)，類型選擇局部敏感度，并在變量中選擇前述創(chuàng)建的3個參數(shù)確定后運行分析，分析時間比較長。結(jié)束后查看結(jié)果3.結(jié)果分析選擇測量為最大應(yīng)

13、力，設(shè)計變量為R在結(jié)果界面復(fù)制另外兩個設(shè)計變量的最大應(yīng)力，最大應(yīng)力和最大變形對設(shè)計變量的敏感度如下圖 7最大應(yīng)力相對于圓角半徑參數(shù)R和銷座間距L及頂壁厚h敏感度橫坐標為設(shè)計變量的變化范圍，縱坐標為最大應(yīng)力（單位MPa）圖 8最大位移相對于圓角半徑參數(shù)R和銷座間距L及頂壁厚h敏感度橫坐標為設(shè)計變量的變化范圍，縱坐標為最大變形（單位mm）從上圖數(shù)據(jù)來看，最大應(yīng)力對銷座間距L最為敏感，對銷座圓角半徑R及頂壁厚h敏感度相對較小，而最大位移的敏感度與最大應(yīng)力相當。通過判斷，圓角半徑R及頂壁厚h對我們感興趣的參數(shù)量影響不大，因此可以在后續(xù)的設(shè)計研究中做適當排除。4.溫度敏感度分析圖 9圖 9最大溫度及質(zhì)量

14、相對于圓角半徑R敏感度縱坐標左圖為溫度，右圖為質(zhì)量，橫坐標為圓角半徑R的變化圖 10最大溫度及質(zhì)量相對于頂壁厚h敏感度縱坐標左圖為溫度，右圖為質(zhì)量，橫坐標為頂壁厚h的變化圖 11最大溫度及質(zhì)量相對于銷座間距L敏感度縱坐標左圖為溫度，右圖為質(zhì)量，橫坐標為銷座間距L的變化有圖看出，最大溫度對于銷座間距L最敏感，頂壁厚h次之，圓角半徑R影響不大。五、優(yōu)化分析1.新建優(yōu)化設(shè)計經(jīng)過前面的分析，判斷優(yōu)化設(shè)計從銷座間距L為入口，再加入頂壁厚進行優(yōu)化，此處頂壁厚選擇燃燒室內(nèi)腔的高度為參變量，在本模型中的屬性名稱為d42。打開的對話框輸入?yún)?shù)，類型為優(yōu)化，目標以模型質(zhì)量最小化，設(shè)計極限確定為最大應(yīng)力為195Mp

15、a，設(shè)計變量選擇燃燒室內(nèi)腔高度d42和銷座間距L，二者參量變化范圍如圖點擊運行后經(jīng)過1個多小時計算完成，查看結(jié)果查看最大應(yīng)力，最大質(zhì)量優(yōu)化結(jié)果六、壓力分析結(jié)果圖 12力邊界條件下活塞應(yīng)力云圖（單位MPa）由圖可以看出, 活塞受到氣體的爆發(fā)壓力和往復(fù)慣性力的作用, 它們的共同特點就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。由于活塞在上止點附近向下運動時活塞銷會出現(xiàn)彎曲變形, 使活塞銷座出現(xiàn)異形變形, 而銷座上端的較大剛度阻止活塞銷座的形變, 從而導(dǎo)致了活塞銷孔的上端出現(xiàn)了應(yīng)力的集中。在活塞的銷座得出的最大應(yīng)力為180MPa 左右,未超過活塞材料在常溫下的最大許用應(yīng)力195

16、 MPa。而活塞的其他部位應(yīng)力值都在許用應(yīng)力195 MPa 以下。另外, 活塞加強筋與活塞頂部相連的部位也會出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況, 但其應(yīng)力值約為108 MPa。圖 13力邊界條件下活塞變形云圖（單位mm）模擬計算出柴油機活塞的整體變形分布情況如圖所示?；钊冃沃凶畲笾禐?.04698mm，位于受活塞兩側(cè)的活塞裙部的下部邊緣，活塞的整體變形是以活塞銷孔為變形最小的區(qū)域，不斷向四周擴散，變形量也逐漸增加?；钊敳考叭紵易冃瘟看蟾旁?.0314mm到0.011mm之間，相對來言頂部比燃燒室底部變形大。活塞環(huán)岸及裙部區(qū)域的變形大概在0.03mm到0.001mm之間。在活塞單獨機械負荷作用下，由于加入

17、了燃氣壓力，活塞裙部、活塞銷座等區(qū)域應(yīng)力值大大增加。而活塞裙部下側(cè)處的剛度非常低，因此出現(xiàn)較大變形?？紤]原因可能是活塞的頂部在沿活塞銷孔軸向發(fā)生彎曲，這樣會使裙部稍有向外增大的趨勢，再者活塞在高溫下本身就會膨脹，所以活塞的裙部變形會比較大。七、熱分析結(jié)果圖 14熱邊界條件下活塞溫度分布（單位）圖 15熱邊界條件下活塞溫度梯度（單位/mm）活塞頂部與燃燒室接觸的內(nèi)側(cè)溫度最高，從活塞頂部內(nèi)邊緣到活塞頂外邊緣，隨著活塞半徑的增大，溫度逐漸下降。最高溫度為337 ,出現(xiàn)在活塞頂靠近燃燒室的內(nèi)側(cè)邊緣處；活塞頂部最低溫度約為313 ，位于活塞頂部外邊緣；燃燒室底部中心溫度較高達到316；周圍底部一圈溫度逐

18、漸降低，最低溫度約為 297；火力岸溫度為 305；第一環(huán)槽區(qū)最高溫度為 291 ，位于活塞的第一環(huán)槽上端面，活塞環(huán)岸及裙部自上向下溫度依次降低?；钊N處的最高溫度大概270左右，位于活塞銷靠近活塞內(nèi)腔側(cè)；活塞內(nèi)腔溫度最高值為298左右；活塞裙部溫度不高，裙部的最高溫度255，位于活塞銷孔正上方；最低溫度144 ，位于活塞裙部下沿。從溫度分布分析可知，活塞的整個溫度偏高，這是因為模擬過程中沒有考慮冷卻方式，也沒有考慮活塞實際工作中潤滑油的飛濺冷卻，因此得到的溫度分布總體來說偏高，特別是頂部最高溫度、燃燒室底部溫度、第一環(huán)槽和第一環(huán)岸的溫度。由活塞的溫度梯度云圖, 最大溫度梯度值為12.45/mm, 最小的溫度梯度值為0.033/mm, 最大溫度梯度的位置是活塞的第三環(huán)槽處, 且在該處的溫度梯度變化較為劇烈, 迅速從最大值降低到了大部分活塞的溫度梯度水平, 整個活塞的溫度梯度值大部分都在5/mm以下。從溫度梯度的值也可以判斷出熱量主要由活塞環(huán)區(qū)流出, 只有少部分是由活塞銷和裙部傳出, 更有少部分是由活塞的背面?zhèn)鹘o曲軸箱和冷卻油。八、敏感度分析結(jié)果圖 16最大應(yīng)力相對于圓角半徑參數(shù)R和銷座間距L及燃燒室內(nèi)腔高度B（頂壁厚）敏感度橫坐標為設(shè)計變量的變化范圍，縱坐標為最大應(yīng)力（單位MPa）圖 17最大位移相對于圓角半徑參數(shù)R和銷座間距L