技術(shù)概論及活塞仿真分析

1、CAE技術(shù)概述及內(nèi)燃機(jī)活塞的仿真分析現(xiàn)狀和趨勢(shì)段紹斌 2009106031341、CAE技術(shù)概述1.1、 CAE技術(shù)基本概念計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE，Computer Aided Engineering）是一個(gè)很廣的概念，單從字面上講，它可以包括工程和制造信息化的所有方面。由于CAM及制造信息化技術(shù)作為獨(dú)立部分飛速發(fā)展，并在產(chǎn)品制造中得到廣泛運(yùn)用。因而，目前已將CAE與CAD、CAM、PDM等并列提出。CAE在科學(xué)研究和產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用，一般是指利用計(jì)算機(jī)及工程分析軟件進(jìn)行模擬和仿真的過(guò)程，即CAE技術(shù)是以科學(xué)和工程問(wèn)題為背景，建立計(jì)算機(jī)模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能和安全可靠性

2、分析，對(duì)其未來(lái)的工作狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足，加以修改和優(yōu)化，并證實(shí)未來(lái)的工程、產(chǎn)品性能的可行性和可靠性。CAE分析是以現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、工程學(xué)科（理論力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)）、數(shù)字仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)為基礎(chǔ)，并以成熟的CAE軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)科學(xué)和工程問(wèn)題的求解與分析。CAE軟件可以分為三類：針對(duì)特定類型的工程或產(chǎn)品所開(kāi)發(fā)的用于其性能分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的軟件，稱為專用CAE軟件。如：ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等。能夠?qū)Χ喾N類型的工程和產(chǎn)品的物理、力學(xué)性能進(jìn)行模擬、分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件稱為通用CAE軟件。如ABAQUS、ANS

3、YS、NASTRAN等。第三類就是嵌套在CAD/CAM系統(tǒng)中的CAE軟件分析模塊。如;UG NX中的CAE。運(yùn)用CAE方法可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代制造業(yè)在高效、高速、高精度、低成本、節(jié)約資源和高性能等多方面的要求。因CAE的分析的理論基礎(chǔ)是有限元法，隨著有限元分析方法與CAD和CAM技術(shù)相結(jié)合，計(jì)算機(jī)硬件水平的日益提高，CAE技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、建筑、化工、汽車、電子、機(jī)械等工業(yè)部門。1.2、 CAE技術(shù)的發(fā)展CAE技術(shù)的發(fā)展是隨著有限元基礎(chǔ)理論的提出及發(fā)展、CAD技術(shù)發(fā)展、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展而興起的，特別是20年的計(jì)算機(jī)在高速化和小型化方面取得的巨大成就，以及CAE軟件功能的不斷完善。使得它在

4、科學(xué)研究中被中普遍采用，在工程中進(jìn)入到實(shí)用化階段。CAE理論基礎(chǔ)起源于20世紀(jì)40年代。20世紀(jì)60至70年代，隨著有限元分析技術(shù)的不斷的被結(jié)合到CAD、CAM中，便形成了CAE分析技術(shù)的框架。20世紀(jì)90年代是CAE技術(shù)的成熟壯大時(shí)期。主要發(fā)展是將CAE與CAD和CAM軟件集成CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，從而形成一個(gè)完整、方便的實(shí)用產(chǎn)品。如著名的CAD軟件CATIA、UG、Pro/E都增加了基本的CAE前后處理及一般的線性、模態(tài)分析功能。當(dāng)今，在西方國(guó)家，CAE技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，將對(duì)CAE技術(shù)的發(fā)展起到不可估量的促進(jìn)作用。現(xiàn)已應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)、

5、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電路學(xué)、電磁學(xué)等諸多工程領(lǐng)域，進(jìn)而發(fā)展到多物理場(chǎng)耦合分析領(lǐng)域，比如流體與結(jié)構(gòu)力學(xué)的耦合、電路學(xué)與電磁學(xué)的耦合等2。2、CAE技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 近年來(lái)計(jì)算機(jī)軟件和技術(shù)以及有限元理論的迅速發(fā)展推動(dòng)了內(nèi)燃機(jī)動(dòng)態(tài)分析的進(jìn)程,使有限元?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)分析在內(nèi)燃機(jī)中逐步獲得應(yīng)用同時(shí)也大大提高了對(duì)內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜零件進(jìn)行有限元分析的效率精度和可信度.CAE技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在這樣幾方面：（1）應(yīng)用有限元和模態(tài)分析等方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、連桿、曲軸等零部件及機(jī)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析、振動(dòng)分析、模態(tài)分析和熱分析，并運(yùn)用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估的理論、方法和規(guī)范，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、可靠

6、性以及使用壽命做出評(píng)價(jià)與估計(jì)，分析活塞疲勞強(qiáng)度、分析發(fā)動(dòng)機(jī)重要零部件的受力及受力后的位移、形變狀況，分析其熱力耦合性能等；（2）運(yùn)用過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在滿足設(shè)計(jì)、工藝等約束條件下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能及工藝過(guò)程達(dá)到最優(yōu)；（3）運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)的理論和虛擬樣機(jī)技術(shù)（VPT）對(duì)整機(jī)或機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，給出整機(jī)或機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度以及動(dòng)反力等數(shù)值，通過(guò)對(duì)比可以獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，方便修改設(shè)計(jì)缺陷。最終，能讓設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出高性能、低排放、低油耗、低噪聲、輕量化、小型化的現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)。3、內(nèi)燃機(jī)活塞仿真分析的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)活塞是內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，它

7、的工作情況直接關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)的工作可靠性和使用耐久性，同時(shí)直接影響到內(nèi)燃機(jī)的排放性能?；钊慕Y(jié)構(gòu)和所處的工作環(huán)境十分復(fù)雜，在工作狀態(tài)下受到高壓燃?xì)鈮毫?、高速往?fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力、側(cè)向推力和摩擦力等周期性載荷作用，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力和機(jī)械變形。高壓氣體燃燒產(chǎn)生的高溫使活塞頂部乃至整個(gè)活塞溫度很高，且溫度分布很不均勻，導(dǎo)致活塞產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形。熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷將導(dǎo)致活塞產(chǎn)生裂紋、活塞環(huán)膠結(jié)以及拉缸等。因此，對(duì)活塞進(jìn)行溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷共同作用的耦合應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，了解活塞的熱負(fù)荷和綜合應(yīng)力分布情況，進(jìn)而改進(jìn)活塞，提高其工作可靠性具有重要意義。近年來(lái)，利用有限元技術(shù)對(duì)活塞進(jìn)行熱、力耦

8、合研究越來(lái)越普遍。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來(lái)的有限元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)為解決發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的分析計(jì)算問(wèn)題提供了有效途徑，它具有試驗(yàn)方法和理論解析方法無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，己經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究的重要手段。在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)集成應(yīng)用，縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析周期，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成本，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品可靠性。同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品制造前，通過(guò)模擬各種試驗(yàn)方案，預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，從而減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。3.1、活塞有限元分析和仿真研究的發(fā)展現(xiàn)狀2-3利用CAE 軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、的幾何模型，然后借助有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行

9、溫度場(chǎng)分析計(jì)算，得到活塞的三維溫度場(chǎng)分布情況，數(shù)值計(jì)算結(jié)果清楚的表明活塞溫度場(chǎng)的分布情況，為活塞的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供了依據(jù)。近20年是數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展迅猛的時(shí)期，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)活塞開(kāi)展了廣泛的研究工作。其研究方面主要有：活塞本身的溫度場(chǎng)、熟應(yīng)力、熱疲勞和機(jī)械強(qiáng)度等方面的研究。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了深入的研究，包括熱沖擊研究、耦合瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的研究、潤(rùn)滑油膜以及積碳等方面的研究。國(guó)內(nèi)對(duì)活塞熱負(fù)荷的研究主要是在高校進(jìn)行，對(duì)于利用經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式得出平均邊界換熱系數(shù)，再根據(jù)平均燃?xì)鉁囟葘?duì)活塞進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析的研究，國(guó)內(nèi)研究的比較深入。比如，大連理工大學(xué)馮立巖對(duì)活塞組在受熱載荷下的溫度場(chǎng)，機(jī)

10、械載荷下的應(yīng)力與變形和耦合下的應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在活塞的有限元分析中，熱分析是整個(gè)耦合分析的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，而傳熱邊界條件的確立是決定熱分析準(zhǔn)確度的最關(guān)鍵因素。建立活塞、活塞環(huán)和氣缸套的耦合模型，在提高計(jì)算精度的同時(shí)，對(duì)減小確立邊界條件的試算量也大有裨益?；钊N端部上端存在沿銷軸方向的變形，對(duì)擋塞上端產(chǎn)生擠壓，造成擋塞磨損。華北工學(xué)院董小瑞對(duì)汽油機(jī)活塞在機(jī)械載荷和熱載荷耦合作用下的變形與應(yīng)力進(jìn)行三維有限元分析，研究表明HH471QE發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷孔上側(cè)面的等效應(yīng)力最大，活塞銷座與活塞頂過(guò)渡部位也存在較大的應(yīng)力，而其它部位的應(yīng)力較小，活塞整體的應(yīng)力分布比較均勻。由于氣體壓力作用在活塞頂，活塞

11、整體下移，但位移量不大。同濟(jì)大學(xué)鄭百林分別對(duì)汽油機(jī)活塞與柴油機(jī)活塞熱力耦合作用下的應(yīng)力與變形及其強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，得到了活塞溫度場(chǎng)的結(jié)果，在安全工作范圍內(nèi)，第一道環(huán)槽邊溫度值遠(yuǎn)低于220。在熱載荷和機(jī)械載荷同時(shí)作用下，活塞頂部Y最大位移出現(xiàn)在第一環(huán)槽外邊緣，其大小為0.1974 mm：X方向最大位移處于頂邊角點(diǎn)處，其值為0.3337 mm；Z向有負(fù)向位移，最大負(fù)向位移在另一頂邊角點(diǎn)處，大小為03096 mm；三個(gè)方向的位移都沿周向逐漸變?yōu)榻咏诹?。橫截面變形后呈橢圓狀。北京航空航天大學(xué)張繼春和武漢理工大學(xué)陳永東利用ProMECHANICA軟件多活塞進(jìn)行有限元分析。昆明理工大學(xué)雷基林與昆明云

12、內(nèi)動(dòng)力股份有限公司進(jìn)行了對(duì)4100型增壓柴油機(jī)活塞在標(biāo)定工況下進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)和變形，機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷共同作用下耦合應(yīng)力場(chǎng)和變形的計(jì)算與分析。中北大學(xué)呂彩琴進(jìn)行了柴油機(jī)活塞的熱及慣性力耦合研究，得到了活塞溫度最高的部位位于活塞項(xiàng)中央和活塞頂部燃燒室內(nèi)側(cè)凸臺(tái)；活塞溫度由頂部向裙部逐漸降低。國(guó)外在內(nèi)燃機(jī)傳熱方面的研究要更早，研究得更充分。在內(nèi)燃機(jī)傳熱計(jì)算中常用的經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式都是歐美科學(xué)家和內(nèi)燃機(jī)廠家在20世紀(jì)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)計(jì)算總結(jié)得出的?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，最近國(guó)外公司對(duì)柴油機(jī)活塞的機(jī)械疲勞研究多采用對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以計(jì)算機(jī)建模和仿真計(jì)算等來(lái)模擬熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷對(duì)活塞結(jié)構(gòu)的影響，從

13、而判斷活塞的可靠性國(guó)外在20世紀(jì)70年代已開(kāi)始熱沖擊研究。如英國(guó)里卡多公司建立了熱流和熱傳導(dǎo)試驗(yàn)臺(tái)，用于熱流的流向和熱流的分配研究，德國(guó)馬勒公司對(duì)活塞的研究主要是通過(guò)整機(jī)試驗(yàn)，馬勒公司的35個(gè)整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)用于研究各種活塞的可靠性。俄羅斯在發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷的試驗(yàn)研究上既有穩(wěn)態(tài)研究，也有最新的瞬態(tài)研究手段；在燃燒室零件的應(yīng)力分析方面，已經(jīng)完成了對(duì)燃燒室零件的穩(wěn)態(tài)熱彈性應(yīng)力、準(zhǔn)靜態(tài)熱應(yīng)力以及熱彈性應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力迭加的分析。美國(guó)Wisconsin大學(xué)Madison分校Yong Liu和RDREITZ運(yùn)用有限差分法對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒室部件進(jìn)行了循環(huán)瞬態(tài)模擬，分析模型綜合考慮了活塞組、潤(rùn)滑油膜、缸套以及缸蓋等，提高了

14、缸內(nèi)傳熱模擬的精度。伊朗Shiraz大學(xué)AMohammadi，MYaghoubi，MRashidi對(duì)火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的局部換熱系數(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)活塞缸內(nèi)不同位置的換熱系數(shù)不同，但是其變化與曲軸轉(zhuǎn)角趨勢(shì)相同。土耳其Sakarya大學(xué)Ekrem Buyukkaya，Muhammet Cerit研究了絕熱鍍層對(duì)柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷的影響。西班牙瓦倫西亞科技大學(xué)的JGalindo等人研究了增壓柴油機(jī)一維氣動(dòng)模式下瞬態(tài)傳熱過(guò)程的計(jì)算。國(guó)外目前研究的重點(diǎn)是瞬態(tài)傳熱、整機(jī)熱分析和絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)。3.3、內(nèi)燃機(jī)活塞仿真的趨勢(shì) 活塞的性能好壞直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能，在對(duì)活塞有限元分析研究中，需對(duì)活塞的影響因素進(jìn)行全

15、面的仿真和分析?？梢钥紤]采用將活塞、活塞環(huán)、氣缸套和活塞銷組合起來(lái)的耦合模型進(jìn)行分析研究；還可以把缸內(nèi)氣體流動(dòng)、燃燒、對(duì)流傳熱、輻射傳熱等模型與有限元分析充分結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行瞬態(tài)傳熱研究與仿真；在線性靜態(tài)仿真的基礎(chǔ)上對(duì)活塞進(jìn)行非線性的瞬態(tài)仿真與分析；在熱力耦合基礎(chǔ)上進(jìn)行多種耦合分析，在溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行多物理場(chǎng)分析；在活塞單體基礎(chǔ)上實(shí)行多體分析,建立活塞仿真CAE數(shù)據(jù)庫(kù)、模擬計(jì)算、試驗(yàn)、設(shè)計(jì)等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)活塞有限元分析與優(yōu)化，最終達(dá)到活塞仿真分析的集成化、網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)管理。參考文獻(xiàn)：1 葉年業(yè),倪計(jì)民，石秀勇，楊永忠，張學(xué)文,任燕平. CAE技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用研究.內(nèi)燃機(jī)工程. Vol

16、.32 No3 June20112程文虎.內(nèi)燃機(jī)活塞變形與應(yīng)力三維有限元分析.學(xué)位論文.合肥工業(yè)大學(xué)3雷基林. 增壓柴油機(jī)活塞三維有限元分析及溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究.學(xué)位論文.昆明理工大學(xué).2005計(jì)算機(jī)輔助分析期終考核分析題目（活塞靜力結(jié)構(gòu)分析）姓名： 段紹斌 班級(jí)： 車輛092 學(xué)號(hào)： 200910603134 日期： 2012/12/30 成績(jī)： 昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院二0一三年一月目 錄1 實(shí)體建模12 有限元網(wǎng)格模型13 邊界條件24 計(jì)算結(jié)果與分析35 總結(jié) 6活塞靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析眾所周知:活塞所受的機(jī)械負(fù)荷主要有氣體作用力和往復(fù)慣性力以及側(cè)推力,對(duì)其變形影響最大的是氣體作用力. 該實(shí)例活

17、塞燃燒室中央布置無(wú)偏置整體分析,只考慮燃燒最高爆發(fā)壓力為9MPa時(shí)對(duì)活塞的影響。1 實(shí)體建模利用UG NX7.5建模模塊構(gòu)建活塞三維實(shí)體模型。構(gòu)建的模型步驟樹(shù)圖和最終三維實(shí)體如圖1所示。圖1、活塞三維實(shí)體構(gòu)建樹(shù)圖與最終實(shí)體圖2 有限元網(wǎng)格模型2.1、前處理過(guò)程1）新建FEM和仿真。打開(kāi)“活塞”三維零件模型，單擊【開(kāi)始】進(jìn)入高級(jí)仿真模塊，新建FEM和仿真“求解器”和“分析類型”分別為“NX NASTRAN”和“結(jié)構(gòu)”。相關(guān)設(shè)置如圖2所示。圖2、新建FEM和仿真和解算方案對(duì)話框 圖3、指派材料3）創(chuàng)建解算方案和理想化模型。在“解算方案類型”下拉菜單中選擇“SESTATI-101多約束”選項(xiàng)。圖2所

18、示。4）指派材料。本實(shí)例要分析的活塞材料為Aluminum5086鎂鋁合金。在“仿真導(dǎo)航器”的“仿真文件視圖”中雙擊huosaifem1文件選項(xiàng)，切換到FEM文件環(huán)境，打開(kāi)“指派材料”對(duì)話框，選擇“Aluminum5086”（鎂鋁合金）材料：在常溫下，楊氏模量為E=72000 MPa，泊松比=033，質(zhì)量密度P=2.66e-006，疲勞系數(shù)=0.118，導(dǎo)熱系數(shù)A=117 W(m·)。如圖3所示。5）劃分網(wǎng)格。單擊“高級(jí)仿真”工具欄中的“3D四面體網(wǎng)格”圖標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小設(shè)為8，網(wǎng)格劃分過(guò)程和結(jié)果如圖4所示。圖4、網(wǎng)格劃化分及結(jié)果3邊界條件1) 添加自定義約束。雙擊“huosai_sim1”文件切換到SIM仿真環(huán)境，進(jìn)行自定