發(fā)動機活塞銷孔結構強度分析及改善

1、.：.；發(fā)動機活塞銷孔構造強度分析及改善 摘 要活塞是發(fā)動機中最重要的零部件之一，任務中要接受周期性熱負荷和機械負荷沖擊，活塞的任務形狀直接決議著發(fā)動機的運用壽命。高溫、高壓的任務環(huán)境使承載最大機械應力的活塞銷孔部位面臨著更大的考驗?；钊N座部位任務溫度在左右，活塞銷與活塞銷孔之間的磨擦還產生著高溫負荷。因此有必要對活塞進展有限元計算分析，弄清活塞及其銷孔處的機械應力分布規(guī)律，為改良設計提供根據。本文經過PRO/E建立活塞組的/實體模型。再運用ANSYS分析軟件計算活塞的機械應力與變形，得出活塞銷孔內側應力集中，變形較大。并在此根底上，提出了活塞的構造改良措施，采用了在活塞銷孔內嵌入鑄鋁青銅襯

2、套。針對改良設計方案進展了有限元分析，結果闡明該改良方案使得活塞銷孔內側的應力趨向均勻，改善了銷孔的應力集中景象，降低了銷孔外表應力峰值，到達了預期的效果。關鍵詞:活塞；機械應力；有限元 AbstractOne of the most important parts of an engine directly governing endurance is the piston,which periodicly bear the impact of heat load and mechanical load. High temperature, high pressure working env

3、ironment make the piston pin hole bearing the maximum mechanical stress load position face even greater challenge. Piston boss works in the temperature of about , and the friction between the piston pin hole and piston pin also produces a high temperature load.Therefore，it is necessary to do the fin

4、ite element analysis for the piston，clarify distribution of thermal stress and mechanical stress of the pistons to provide a basis for improving the design.that article establish piston range of / solid models by PRO/E.Then using ANSYS software to calculate mechanical stress and deformation of the p

5、iston, we obtain stress concentration inside the piston pin hole, and with a large deformation.In view of that, it proposes measures of improving piston structure design and adopts the structure of cast aluminum bronze embedded in the hole in the piston pin bushing. The results show that the program

6、 has made the stress inside the piston pin hole tend to be even，improved stress concentration phenomenon of the pin hole and reduced the surface stress peak of the pin hole and achieved the desired results.Keywords:piston；finite element；mechanical stress 目 錄 TOC o - h z u HYPERLINK l _Toc 引言 HYPERLI

7、NK l _Toc . 概述 HYPERLINK l _Toc . 國內外研討現狀 HYPERLINK l _Toc . 課題研討的主要內容和方法 HYPERLINK l _Toc 有限元根底實際及活塞組有限元模型的建立 HYPERLINK l _Toc . 有限元根底實際及ANSYS簡介 HYPERLINK l _Toc . 有限元法概述 HYPERLINK l _Toc . 有限元法劃分原那么 HYPERLINK l _Toc . ansys簡介 HYPERLINK l _Toc . 活塞組有限元模型的建立 HYPERLINK l _Toc . 活塞組幾何模型的建立 HYPERLINK l

8、 _Toc . 構造強度分析的根本概念 HYPERLINK l _Toc . 活塞組的受力模型 HYPERLINK l _Toc . 活塞組邊境條件確實定 HYPERLINK l _Toc . 活塞組有限元模型 HYPERLINK l _Toc 活塞組應力及變形的研討 HYPERLINK l _Toc . 活塞組在機械載荷下的變形研討 HYPERLINK l _Toc . 活塞組在機械載荷作用下應力分析 HYPERLINK l _Toc 活塞銷孔構造改良后的有限元分析 HYPERLINK l _Toc . 襯套的資料及幾何模型確實定 HYPERLINK l _Toc . 活塞組有限元模型的建立

9、 HYPERLINK l _Toc . 活塞組的機械載荷及邊境條件確實定 HYPERLINK l _Toc . 活塞組機械載荷下變形的分析 HYPERLINK l _Toc . 活塞組機械載荷下的應力分析 HYPERLINK l _Toc 結 論 HYPERLINK l _Toc 展 望 HYPERLINK l _Toc 參考文獻 HYPERLINK l _Toc 致 謝平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計闡明書論文 第 PAGE 37 頁 引言. 概述發(fā)動機是一種將燃油化學能轉變成為機械功的動力機械。這種能量轉換是燃油在氣缸中與空氣充分混合進展熄滅，產生高溫高壓的任務氣體，推進活塞、連桿、曲軸，從

10、而使燃油化學能轉變成機械功向外輸出的。發(fā)動機閱歷了一百多年開展，雖然根本構造變化不大，但其性能和設計程度不斷在不斷提高，其燃油經濟性、升功率、緊湊性、制造本錢、可靠性和運用壽命等主要技術目的不斷得到改善。近年來，為順應環(huán)境維護的要求，在減少其有害排放物、減少振動與噪聲等方面也在不斷地提高。伴隨著發(fā)動機轉速和功率的提高，必然會帶來缸內燃氣迸發(fā)壓力和溫度增高。燃氣迸發(fā)壓力添加，一方面使得活塞、缸體和缸蓋接受的機械負荷增大，導致活塞、缸體和缸蓋因強度缺乏而產生破壞。另一方面壓力升高過大，還會產生敲缸景象和添加發(fā)動機熄滅噪聲。燃氣溫度升高，導致組成發(fā)動機熄滅室的受熱零件熱負荷添加，產生極大的熱應力和熱

11、變形，溫度過高還會導致受熱零件資料強度和硬度急劇下降，降低其可靠性和運用壽命?；钊前l(fā)動機任務條件最苛刻的零件之一，它在高速往復運動中傳送著整個發(fā)動機原動力，接受著非常高的機械負荷和熱負荷?；钊侵萍s發(fā)動機進一步強化的瓶頸之一?；钊O計好壞、加工精度的高低都會直接影響發(fā)動機經濟性、可靠性、檢修周期和運用壽命。溫度過高會降低資料許用應力和強度，從而縮短活塞運用壽命和降低發(fā)動機性能。另外在熱負荷和機械載荷作用下，活塞整領會發(fā)生變形，從而影響活塞與缸套之間的配合精度。發(fā)動機任務時，各零件之間存在著多種運動方式，而且有的大運動組件之中還包含著微小的運動，在曲柄連桿機構中，活塞和缸套之間的往復運動過程中

12、，就同時存在著活塞銷和銷孔間的旋轉運動、活塞環(huán)和活塞環(huán)槽之間的旋轉運動，這些零件間雖然沒有很高的相對運動速度，但是存在著很大的作用力，這樣，在相互接觸之間就會產生接觸應力和切向運動阻力摩擦力，因此會呵斥摩擦損失，嚴重時，會在摩擦力的作用下呵斥零件的損壞?；钊N與銷孔間既然有相互運動且存在相互作用力，就一定存在摩擦力。這種摩擦力，雖然對發(fā)動機的有效效率沒有多大的影響，但是，假設活塞銷孔處的溫度過高(活塞銷孔溫度超越)，活塞銷與銷孔之間的接觸應力過大，就會破壞了二者之間存在的光滑油膜，使銷孔外表和活塞銷在部分構成干摩擦，將有能夠導致活塞銷孔外表拉毛、拉傷，使之不能正常任務；同時作用在銷孔上機械應力

13、過大，而此時活塞資料在高溫下性能下降，有能夠使活塞銷孔產生裂紋，嚴重時會導致活塞銷孔開裂、破碎，甚至損壞發(fā)動機機體。對活塞進展熱、力分析研討方法有多種，近年來，利用有限元技術對活塞進展熱、力耦合研討越來越普遍。在計算機技術和數值分析方法支持下開展起來的有限元法FEM，Finite Element Method為處理發(fā)動機各零部件的分析計算問題提供了有效途徑，它具有實驗方法和實際解析方法無可比較的優(yōu)勢，己經成為發(fā)動機性能研討的重要手段。在發(fā)動機產品設計實際中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)集成運用，縮短了發(fā)動機產品設計和分析周期，降低了發(fā)動機產品本錢，提高了發(fā)動機產品可靠性。同時在發(fā)動機新產品制造前

14、，經過模擬各種實驗方案，預先發(fā)現潛在問題，從而減少實驗時間和經費。如今有限元分析方法在活塞開發(fā)設計中已得到廣泛運用，大大提高了活塞設計的可靠性，縮短了開發(fā)周期。. 國內外研討現狀基于計算機技術開展和運用的普及，目前國外公司對活塞的機械疲勞研討多采用對比發(fā)動機耐久實驗與活塞液壓脈沖疲勞實驗數據，以計算機仿真建模和有限元計算為支持，模擬熱負荷及機械負荷等對活塞構造的影響，計算活塞的熱機械應力，斷定活塞的可靠性能。但由于技術嚴密的緣由，國外研討機構對世紀末期以后的活塞機械疲勞可靠性研討及相關文獻處于嚴密形狀，活塞資料S N曲線規(guī)律、新資料的研制、機械疲勞研討中的新技術等鮮見相關的文獻報道。國外對活塞

15、銷孔機械疲勞可靠性的實驗研討包括發(fā)動機耐久性實驗及活塞液壓脈沖疲勞實驗兩種方式，部分研討機構還進展了銷座部位的應力測試任務。國內外發(fā)動機公司對發(fā)動機強化實驗的考核也有所不同。英國Wellworth公司以%標定功率運轉小時，然后再進展小時k最大扭矩實驗，考核活塞銷座、熄滅室邊緣等部位能否出現裂紋;日本小松制造所對工程機械用柴油機進展了強化對比實驗，柴油機以標定工況運轉小時后活塞銷座出現裂紋，當以%負荷運轉時，小時活塞銷座就出現了裂紋。國內各發(fā)動機公司及國家規(guī)范也有相關的實驗考核規(guī)范。與發(fā)動機耐久性實驗相比，思索到高效、節(jié)能及便于分析的特點，國外各活塞專業(yè)公司更傾向于采用活塞液壓脈沖疲勞實驗來考核

16、銷座的可靠性。活塞液壓脈沖疲勞實驗系統(tǒng)內的活塞由活塞銷和連桿支撐，用兩個獨立油壓控制系統(tǒng)對活塞施加脈動載荷，一個位于活塞頂部模擬氣體壓力，另一個位于活塞下側模擬慣性力。ZOLLNER公司對柴油機活塞銷孔可靠性進展的實驗研討闡明，采取滾壓銷孔外表工藝的活塞疲勞極限比圓柱形銷孔提高%，錐形活塞銷孔構造的活塞疲勞極限較圓柱形銷孔可提高%，添加銷孔橢圓度或采用減壓弧構造對提高活塞銷孔的疲勞極限影響甚小。. 課題研討的主要內容和方法 () 利用PRO/E軟件對活塞和銷的/模型進展實體建模，并做適當的簡化。() 活塞遭到的機械載荷主要有氣體爆炸壓力，往復慣性力，側推力及連桿的支座反力。求出活塞在最惡劣工況

17、下的載荷條件并進展簡化，定義適當的邊境位移條件，從而建立活塞組的有限元模型。()分析活塞的有限元模型，求出最大應力及其位置，并求出活塞銷孔處的應力分布及應力集中情況；同時分析活塞的變形情況和活塞銷孔處的變形情況。() 對活塞銷孔構造進展改良，并進展分析，同改良前的應力分布和變形情況進展比較，并給出建議。 有限元根底實際及活塞組有限元模型的建立. 有限元根底實際及ANSYS簡介. 有限元法概述有限元法Finite Element Method，FEM，也稱有限單元法或有限元素法，根本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限的且按一定方式相互銜接在一同的單元的組合體。有限單元法分析問題的思緒是從構造矩陣分析

18、推行而來的。來源于年代的桿系構造矩陣分析，是把每一桿件作為一個單元，整個構培育看作是由有限單元桿件銜接而成的集合體，分析每個單元的力學特性后，再組集起來就能建立整體構造的力學方程式，然后利用計算機求解。有限元離散化是假想把彈性延續(xù)體分割成數目有限的單元，并以為相鄰單元之間僅在節(jié)點處相連。根據物體的幾何外形特征、載荷特征、邊境約束特征等，單元有各種類型，節(jié)點普通都在單元邊境上，節(jié)點的位移分量是作為構造的根本未知量。這樣組成的有限單元結合體，并引進等效節(jié)點力及節(jié)點約束條件，由于節(jié)點數目有限，就成為具有有限自在度的有限元計算模型，它替代了原來具有無限多自在度的延續(xù)體。在此根底上，對每一單元根據分塊近

19、似的思想，假設一個簡單的函數來近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移方式，再經過虛功原理或變分原理或其他方法求得每個單元的平衡方程，就是建立單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關系。最后，把一切單元的這種特性關系，按照堅持節(jié)點位移延續(xù)和節(jié)點力平衡的方式集合起來，就可以得到整個物體的平衡方程組。引入邊境約束條件后，解此方程就求得節(jié)點位移，并計算出各單元應力。因此，完好的有限元分析FEA流程圖如圖.所示。決議分析工程決議分析的幾何構造、邊境條件和外力獲取資料性質建立有限元模型，包括： 單元類型 資料性質加載并求解輸出分析結果結果能否合理進展改良處置問題處理或得到最優(yōu)化YN 圖. 有限元分析流程圖. 有限元

20、法劃分原那么()網格數量的多少將影響計算結果的精度和計算規(guī)模的大小。普通來講，網格數量添加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會添加，所以在確定網格數量時應權衡兩個因數綜合思索。圖. 位移精度和計算時間隨網格數量的變化圖.中的曲線表示構造中的位移隨網格數量收斂的普通曲線，曲線代表計算時間隨網格數量的變化。可以看出，網格較少時添加網格數量可以使計算精度明顯提高，而計算時間不會有大的添加。當網格數量添加到一定程度后，再繼續(xù)添加網格時精度提高甚微，而計算時間卻有大幅度添加。所以應留意添加網格的經濟性。實踐運用時可以比較兩種網格劃分的計算結果，假設兩次計算結果相差較大，可以繼續(xù)添加網格，相反那么停頓

21、計算。在決議網格數量時應思索分析數據的類型。在靜力分析時，假設僅僅是計算構造的變形，網格數量可以少一些。假設需求計算應力，那么在精度要求一樣的情況下應取相對較多的網格。同樣在呼應計算p，計算應力呼應所取的網格數應比計算位移呼應多。在計算構造固有動力特性時，假設僅僅是計算少數低階模態(tài)，可以選擇較少的網格，假設計算的模態(tài)階次較高，那么應選擇較多的網格。()網格疏密網格疏密是指在構造不同部位采用大小不同的網格，這是為了順應計算數據的分布特點。在計算數據變化梯度較大的部位(如應力集中處)，為了較好地反映數據變化規(guī)律，需求采用比較密集的網格。而在計算數據變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，那么應劃分相對

22、稀疏的網格。這樣，整個構造便表現出疏密不同的網格劃分方式。圖.是中心帶圓孔方板的四分之一模型，其網格反映了疏密不同的劃分原那么。小圓孔附近存在應力集中，采用了比較密的網格。板的 圖. 帶孔方板的四分之一模型周圍應力梯度較小，網格分得較稀。其中圖b，網格疏密相差更大，它比圖a的網格少個，但計算出的孔緣最大應力相差l%，而計算時間卻減小了k。由此可見，采用疏密不同的網格劃分，既可以堅持相當的計算精度，又可使網格數量減小。因此，網格數量應添加到構造的關鍵部位，在次要部位添加網格是不用要的，也是不經濟的。劃分疏密不同的網格主要用于應力分析(包括靜應力和動應力)，而計算固有特性時那么趨于采用較均勻的鋼格

23、方式。這是由于固有頻率和振型主要取決于構造質量分布和剛度分布，不存在類似應力集中的景象，采用均勻網格可使構造剛度矩陣和質量矩陣的元素不致相差太大，可減小數值計算誤差。同樣，在構造溫度場計算中也趨向于采用均勻網格。 ()單元階次許多單元都具有線性、二次和三次等方式，其二次和三次方式的單元稱為高階單元。選用高階單元可提高計算精度，由于高階單元的曲線或曲而邊境可以更好地逼近構造的曲線和曲而邊境，且高次插值函數可更高精度地逼近復雜場函數，所以當構造外形不規(guī)那么、應力分布或變形很復雜時可以選用高階單元。但高階單元的節(jié)點數較多，在網格數量一樣的情況下由高階單元組成的模型規(guī)模要大得多，因此在運用時應權衡思索

24、計算精度和時間。圖.是一懸臂梁分別用線性和_次三角形單元離散時，其頂端位移隨網格數量的收斂情況。可以看出，但網格數量較少時，兩種單元的計算精度相差很大， 圖. 不同階次單元的收斂情況這時采用低階單元是不適宜的。當網格數量較多時，兩種單元的精度相差并不很大，這時采用高階單元并不經濟。例如在離散細節(jié)時，由于細節(jié)尺寸限制，要求細節(jié)附近的網格劃分很密，這時采用線性單元更適宜。添加網格數量和單元階次都可以提高計算精度。因此在精度一定的情況下，用高階單元離散構造時應選擇適當的網格數量，太多的網格并不能明顯提高計算精度，反而會使計算時間大大添加。為了兼顧計算精度和計算量，同一構造可以采用不同階次的單元，即精

25、度要求高的重要部位用高階單元，精度要求低的次要部位用低階單元。不同階次單元之間或采用特殊的過渡單元銜接，或采用多點約束等式銜接。 ()網格質量網格質量是指網格兒何外形的合理性。質量好壞將影響計算精度。質量太差的網格甚至會中止計算。直觀上看，網格各邊或各個內角相差不大、網格而不過分扭曲、邊節(jié)點位于邊境等份點附近的網格質量較好。網格質量可用細長比、錐度比、內角、翹曲量、拉伸值、邊竹點位置偏向等目的度量。劃分網格時普通要求網格質量能到達某此目的要求。在重點研討的構造關鍵部位，應保證劃分高質量網格，即使是個別質量很差的網格也會引起很大的部分誤差。而在構造次要部位，網格質量可適當降低。當模型中存在質量很

26、差的網格(稱為畸形網格)時，計算過程將無法進展。圖.是三種常見的畸形網格，其a單元的節(jié)點交叉編號，b單元的內角大于，C單元的兩對點重合，網格面積為零。圖. 幾種常見的畸形網格 ()網格分界面和分界點構造中的一些特殊界面和特殊點應分為網格邊境或節(jié)點以便定義資料特性、物理特性、載荷和位移約束條件。即應使網格方式滿足邊境條件特點，而不應讓邊境條件來順應網格。常見的特殊界面和特殊點有資料分界面、幾尺寸突變面分布載荷分界限(點)、集中載荷作用點和位移約束作用點等。 ()位移協調性位移協調是指單元上的力和力矩可以經過節(jié)點傳送相鄰單元。為保證位移協調，一個單元的節(jié)點必需同時也是相鄰單元的節(jié)點，而不應是內點或

27、邊境點。相鄰單元的共有節(jié)點具有一樣的自在度性質。否那么，單元之間須用多點約束等式或約束單元進展約束處置。圖.是兩種位移不協調的網格劃分，圖a中的節(jié)點僅屬于一個單元，變形后會產生資料裂痕或重疊。圖b中的平面單元和梁單元節(jié)點的自在度性質不同，粱單元的力矩無法傳送到平面單元。圖. 位移不協調的網格劃分)網格規(guī)劃當構造外形對稱時，其網格也應劃分對稱網格，以使模型表現出相應的對稱特性(如集中質矩陣對稱)。不劉一稱規(guī)劃會引起一定誤差，如在圖.中，懸臂粱截面相對軸對稱，在對稱載荷作用下，自在端兩對稱節(jié)點、的撓度值本應相等。但假設分圖所不對稱網格，計算出的y，=.，yZ=.。假設改用圖C所示的網格，那么y，和

28、y完全一樣。圖. 網格規(guī)劃對計算結果的影響)節(jié)點和單元編號節(jié)點和單元的編號影響構造總剛矩陣的帶寬和波前數，因此影響計算時間和存儲量的大小，因此合理的編號有利于提高計算速度。但對復雜模型和自動分網而言，人為確定合理的編號很困難，日前許多有限元分析軟件自帶有優(yōu)化器，網格劃分后可進展帶寬和波前優(yōu)化從而減輕人的勞動強度。. ANSYS簡介ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解構造、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可運用于以下工業(yè)領域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。 軟件主要包括三個部分：前處置模塊，分析計

29、算模塊和后處置模塊。 前處置模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型； 分析計算模塊包括構造分析可進展線性分析、非線性分析和高度非線性分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析才干； 后處置模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示可看到構造內部等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線方式顯示或輸出。 軟件提供了種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種構造和資料。該軟件有多種不同版本，可以運轉在從個人機到大型機的多種

30、計算機設備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。 . 活塞組有限元模型的建立. 活塞組幾何模型的建立本文所分析的活塞熄滅室為凹坑形，位于活塞頂部的中央。計算時以/的活塞為分析對象，建立其三維模型。利用三維制圖軟件PRO/E建立活塞三維模型，然后再導入到有限元軟件中進展網格劃分和邊境條件定義，為了減少單元數量以及大小單元尺寸差，忽略模型中一些對分析影響很小的特征，比如：活塞油孔、導油槽和微斜角等。用PRO/E建立此模型的優(yōu)點是便于對活塞進展幾何尺寸上的優(yōu)化設計與構造上的改良，以及具有和有限元軟件很好的接口?；钊膸缀谓＜疤幹眠^程活塞由于構造復雜，幾何建模難度較大，這里需

31、求思索的要素較多。在活塞的幾何模型建立過程中，既要思索此模型建立的準確性，又要思索幾何模型對于建立有限元網格的可行性。針對本文采用的活塞，以彈性力學為根據，對于不失準確性的小構造進展適當簡化、忽略，在滿足準確性的要求下，也使網格的劃分更加理想，使計算可以不失真，為以后的處置帶來很大方便。這里有必要對普通意義上的幾何模型和基于有限元的幾何模型進展區(qū)分闡明。普通意義上的幾何模型只需求把原來的實體表達清楚便可以，當然這里包括尺寸表達清楚、空間位置表達明晰，此時不需求對表達方式進展選擇，只需可以到達以上各點就可以。而基于有限元的幾何模型與此有很大的差別，它不僅要把原來實體的尺寸以及空間位置表達清楚，更

32、需求留意的是此幾何模型對于后面分析計算過程的可行性，這包括網格的劃分、邊境條件的附加、單元尺寸的合理性、分析計算結果的稱心度等，這些都是此幾何模型合理性及可行性的評判規(guī)范，這也是基于有限元的幾何模型建立的困難所在。對于活塞這樣構造復雜的零件，普通意義上的幾何模型雖然能清楚表達原來的實體，但這離基于有限元的幾何模型還有很大間隔 ，它不能用于有限元分析，必需對其進展適當處置。對于復雜實體這里指活塞，基于有限元的幾何模型必需留意遵照以下原那么：盡量堅持幾何模型準確性，對于應力和變形來說作為影響要素的構造這里指幾何外形而言，哪些構造是不可忽略的，而哪些是可以忽略的，必需區(qū)分清楚，進而使此模型在基于有限

33、元分析合理可行的前提下，做到最大限制的準確性。對于重點分析計算的部位，如活塞頂部、裙部等，必需做到精益求精，使這些部位盡能夠堅持其完好性和準確全面性，以使計算分析可以準確完好。在構造幾何模型同時就已決議以后規(guī)整網格劃分的過程，此處有限元網格劃分是以點、線為根底，對于三維實體而言，是以部件PART為單位進展網格的拓展劃分CREEP，這就需求在幾何建模同時，留意點、線、多義線和外廓線的分布和尺寸。假設這些要素的分布過密或尺寸相差過大這里指相鄰的單元，那么能夠導致網格劃分的不均勻，單元比例失調，導致計算結果偏向，甚至有限元網格劃分或有限元計算過程的終止，這也是建模過程中兩個矛盾方面，一方面要盡量準確

34、描畫實體幾何外形，這就需求運用較小的單元進展網格劃分，而對于有限元計算程序而言，其計算容量這里包括各種幾何要素、特別是單元和節(jié)點的數目是有限的，要使計算結果可行準確，不能運用過多的單元或過小的單元過小的單元容易導致單元畸變。對于活塞這樣一個復雜的幾何實體，要做到準確完好，更需相應的嘗試和閱歷。在建造幾何模型的同時，還需求思索邊境條件的附加，實際上對表面的有限元單元逐節(jié)點或逐單元進展邊境條件附加是可行的，然而現實上，尤其對于活塞這樣一個構造復雜的零件而言，是非常困難的。所以這又要求在建模的同時，對于不同的邊境條件給予不同的面或區(qū)域這是針對三維的實體幾何模型而言，使得邊境條件的附加成為能夠，也帶來

35、極大的方便性。下面就本文運用的活塞詳細建模過程作詳細引見：活塞頂部的處置汽油機活塞的頭部外形較為復雜，本研討運用的活塞為圓形的凹坑頂部，凹坑位于活塞頂部的中央。活塞頭部呈正圓錐形。為了便于劃分網格，在頂面過渡處省略圓角。活塞環(huán)岸以及環(huán)區(qū)的處置此處嚴厲按照原有尺寸進展建模，但需闡明對于尺寸極小的弧形斜度和臺階給予忽略，這些構造對于熱力學分析的影響極小，但其又會導致網格劃分的失敗或計算結果的嚴重偏向，所以對它進展忽略。裙部的處置活塞裙部型線復雜，在詳細的建模過程中，裙部按照實踐尺寸進展建模。底部的處置底部由于構造不復雜，完全按照原來尺寸進展建模。軸銷座部位的處置軸銷座對于活塞整體不均勻變形有重要的

36、影響，所以此處作準確建模，這也是保證變形計算結果的重要根據。內腔的處置內腔外形對于活塞頂部傳入的熱量導出起到很大作用，所以此處建模尺寸和外形根本按照原來尺寸和外形。油孔、導油槽和微斜角、微圓角的處置由于油孔、導油槽和微斜角、微圓角的尺寸均較小，而且其對于變形的影響極小，所以此處根本上都給予忽略?；钊M幾何模型的參數活塞的根本參數如下表.：表. 活塞根本參數參數參數值活塞裙部直徑mm活塞頂部直徑mm活塞裙部長度.mm活塞總高.mm銷孔直徑mm 圖. 活塞組的視圖活塞組的資料參數活塞所處任務環(huán)境惡劣，因此對活塞資料性能要求較高，普通要滿足下面幾個條件：密度小、熱膨脹系數小、好的耐磨性、機械性能、熱

37、傳導性、良好的加工性能等。本文采用的資料根本參數如表.所示：表. 資料的根本參數零件資料EGPa/m活塞鑄鋁合金.活塞銷合金鋼. 構造強度分析的根本概念一點應力形狀彈性力學根本公式被用來描畫均勻、延續(xù)、各向同性彈性體的位移、應變、應力之間的相互關系以及它們與外負荷之間的關系，因此是零件強度計算的主要根據。彈性體內任一點的應力形狀可以用九個應力分量來描畫，如圖.所示.其中分別表示在直角坐標系上x，y，z三個方向的正應力;表示剪應力，其中第一個腳標表示剪應力作用截面的法線方向，第二個腳標表示剪應力的指向。根據剪應力互等定理，可以得出:。所以，九個應力分量中，只需六個是不同的。應力的正負號，通常按以

38、下規(guī)那么確定的:正應力以拉為正，壓為負。剪應力，假設其作用截面的外法線與某一坐標軸方向一樣，其應力就以沿坐標軸的正方向為正，沿坐標袖的負方向為負;對于外法線與某一坐標軸方向相反的截面，其剪應力就以沿坐標軸負方向為正，沿坐標軸的正向為負。圖. 九個應力分量表示圖六個應力分量，可以用列陣表示，即 式.應變一位移方程在給定負荷與溫度分布的情況下，彈性體沿著x、y、z方向的變形，可以分別用u、v、w三個位移分量表示，它們通常是坐標x、y、z的函數。在小變形的情況下，應變一位移的關系是線性的。描畫任一點的應變形狀可以用九個應變分量表示，即三個正應變和六個剪應變它們分別是: 式.式中表示正應變;表示剪應變

39、。應力應變方程彈性體資料在滿足各向同性、均勻、延續(xù)、完全彈性的前提下，應力一應變應符合廣義胡克定律，即 式.式中，E為資料的彈性模量，G為切變彈性模量，為泊松比。它們滿足式 式.虛位移原理 虛位移是指在約束條件允許的范圍內彈性體能夠發(fā)生的恣意微小位移。它的發(fā)生與時間無關，與彈性體所受的外載無關。彈性體在平衡形狀下發(fā)生虛位移時，外力要做虛功，大小為 式(.)式中，為虛功；為虛位移；R為外力。在發(fā)生虛位移的過程中，彈性體內將產生虛應變。應力在虛應變做的虛功是儲存在彈性體內的虛應變能，假設用表示虛應變能，那么 式.式中V表示彈性體的體積。虛位移原理又稱虛功原理，可表達為：假設在虛位移發(fā)生之前彈性體是

40、平衡的，那么在虛位移發(fā)生時，外力在虛位移上所做的功就等于彈性體的虛應變能，即 式. 活塞組的受力模型活塞受力分析活塞裙部在氣缸內起著導向、接受側推力和傳熱等作用。當發(fā)動機任務時，熄滅室氣體壓力推進活塞沿缸套軸線方向往復運動，在活塞裙部和缸套間構成光滑油膜，對活塞裙部產生法向壓力。另外，還有活塞運動產生的慣性力和連桿對活塞的作用力等。由于活塞組件受力大且分布不均勻，因此變形問題非常突出。即使活塞與缸套之間的冷配缸間隙大小適宜，在任務時活塞缸套系統(tǒng)所產生的變形也會導致實踐配缸間隙出現改動，從而引起活塞光滑特性變化。假設變形后實踐配缸間隙過小會使活塞產生擦傷，假設預留間隙過大那么能夠發(fā)生“敲缸，所以

41、研討活塞變形問題對改善活塞系統(tǒng)的性能具有重要意義。對活塞的變形進展分析，首先應確定作用在活塞上的各種力，如圖.所示。在這些力中FG是由熄滅室中氣體壓力所產生的作用在活塞頂部的燃氣壓力；F是由流體動壓行為和外表微凸峰接觸引起的作用在活塞主次推力邊上的法向壓力，M為F作用在活塞銷中心線上的力矩；Ff是由流體動壓行為和外表微凸峰接觸引起的作用在活塞主次推力邊上的摩擦力，Mf為Ff作用在活塞銷中心線上的力矩；和分別為活塞往復運動引起的活塞慣性力和銷慣性力，和分別為活塞二階運動引起的活塞慣性力、慣性力矩和銷慣性力；為連桿作用在活塞上的力，其方向一直沿連桿長度方向。圖. 作用在活塞上的力和力矩 圖. 活塞

42、受力表示圖雖然活塞受各種力和力矩的綜協作用，但是，真正影響活塞力變形的主要有：熄滅室中氣體壓力FG、活塞往復慣性力、法向壓力F和連桿作用在活塞銷座上的力四種，其它的各種力和力矩對活塞的變形和應力影響很小，可忽略不計。)熄滅室氣體壓力確實定發(fā)動機曲軸轉角為時，由平面幾何關系計算得到連桿軸線偏離氣缸軸線的角度為.，即連桿傳給活塞的力偏離氣缸軸線.，此時活塞頂部的氣體壓力到達最大。汽油機活塞在做功行程中，接受最高壓力可達-Mpa，最高轉速可達-r/min。在這里取最惡劣的條件，最大迸發(fā)壓力為Mpa。)活塞慣性加速度確實定活塞運動到上下止點時運動方向改動，此時活塞往復運動速度為零，加速度那么到達最大值

43、，慣性力也最大；在行程中部附近，活塞運動速度最大，加速度為零，慣性力也等于零。對于以恒定角速度旋轉著的曲軸，活塞沿軸線方向的位移、速度及加速度可采用下述式子表示：圖. 正置曲柄連桿機構運動分析簡圖.活塞的位移活塞的位移x由其上止點開場丈量，由圖.可得： 式.其中R為曲柄半徑，L為連桿長度，為曲柄轉角， 式.式.就是往復活塞式發(fā)動機活塞位移的準確計算表達式，當用計算機進展計算時，可以直接用此式。但手工計算時，需將此式適當簡化?？梢缘玫酵鶑突钊桨l(fā)動機活塞位移的近似計算表達式如下： 式.活塞的速度將活塞的位移公式.進展微分，便可求得活塞運動速度的近似值，為： 式.活塞的加速度再對活塞的速度公式.求

44、導，便可得活塞運動加速度的近似值，為： 式.帶入相關數據可得加速度a=m/。)活塞的側推力在最大迸發(fā)壓力作用的工況下，活塞主要受燃氣壓力，往復慣性力和活塞銷座的支反力作用，方向都是沿著活塞的軸線的方向。此時活塞正處于上止點附近，裙部所受的側向壓力值很小，且沿著與活塞軸垂直的方向，對合力的影響不大，做應力分析時可以忽略不計。)活塞組機械載荷的施加活塞頂部和環(huán)岸區(qū)的燃氣迸發(fā)壓力按均布載荷處置?；钊敳浚鹆Π逗偷谝画h(huán)槽上下面按照頂部氣體壓力的%來施加，第一道環(huán)槽底按照頂部氣體壓力的%來施加，第一環(huán)岸和第二道環(huán)槽上下面按照頂部氣體壓力的%來施加，第二道環(huán)槽底按照頂部氣體壓力的%來施加，第二道環(huán)槽以下

45、的燃氣壓力作用效果很小，予以忽略不計。如圖.所示。根據動力學計算結果，活塞所受的往復慣性力方向向上，與活塞運動加速度方向相反，如圖.所示。圖. 燃氣壓力和慣性力的分布 . 活塞組邊境條件確實定為了使活塞不產生剛體位移，必需給出適宜的位移約束。通常用一些具有簡單分布規(guī)律的力和位移作為邊境條件，當邊境條件比較復雜時，位移約束條件難確定，一些簡單的假設往往會帶來較大誤差。普通位移邊境條件：預定邊境位移為零某一節(jié)點位移為己知量。如：對某一節(jié)點位移為己知值。根據上面的實際，本研討采用下面的方法來確定活塞的位移邊境條件：.約束模型對稱面上的每個節(jié)點，在該平面內的法向位移均為；.約束活塞銷端面的各個約束，位

46、移均為。活塞組的載荷約束條件如以下圖.圖. 活塞組的加載情況. 活塞組有限元模型為了獲得準確的計算結果，應合理確定有限元劃分方案，這樣既保證計算精度，又不會耗時過多。在確定劃分方案之前，有必要進展一些測試，以選擇適宜的計算網格，假設部分結果偏向較大，那么進展部分修正，研討采用的網格劃分方案如圖.所示?；钊灿昧藗€節(jié)點四面體單元來描畫，單元類型為solid；銷共用了個節(jié)點六面體單元來描畫，單元類型solid；接觸對單元個，單元類型為targe和conta；單元總數為，節(jié)點總數為個。綜合思索單元數和計算時間兩方面要素，本文活塞采用采用自在網格劃分，對受力較大的熄滅室，活塞環(huán)岸，及銷孔處進展細化；銷

47、采用了掃描劃分，得到了較好的效果。實際證明，本文活塞網格剖分的單元數和節(jié)點數既能滿足工程精度要求，又不會耗費較多計算器時間。活塞有限元模型如圖.所示。圖. 活塞組的有限元模型第章 活塞組應力及變形的研討. 活塞組在機械載荷下的變形研討本文研討單個活塞在膨脹沖程和作功沖程下其變形情況，主要分析了活塞在各種機械載荷作用下的變形。活塞組整體變形與變形前比較如以下圖.：圖. 活塞整體變形比較圖 活塞組的總體變形圖如下.：圖. 活塞組總體變形圖 由兩圖可知活塞頂部和裙部均發(fā)生很不均勻的變形，作用在頂部的載荷起到主要作用，因活塞頂部遭到的緊縮作用使得變形較大且集中，由于力的傳送也使裙部和活塞銷部位出現變形

48、。最大變形出如今活塞頂部，和裙部，達.mm，活塞銷孔處最大變形出如今內側上端邊緣，最大為.mm。. 活塞組在機械載荷作用下應力分析活塞組在軸線方向的應力分布如以下圖.：圖. 活塞組軸向應力分布圖 活塞組的等效應力分布如圖.：圖. 活塞組的等效應力分布圖由兩圖可知銷孔內側邊緣處有應力集中最大為Mpa，最大應力出如今銷截面的邊緣，最大為.Mpa，由于本文主要分析活塞的應力分部，及銷孔處的應力，這在此不思索。第章 活塞銷孔構造改良后的有限元分析上文提到，由于發(fā)動機熄滅時的迸發(fā)壓力很大，活塞銷孔處應力很高，為了降低銷孔外表應力峰值，活塞銷孔要做構造改良設計，從而提高銷孔的承載才干。本文選用鑄鋁青銅資料

49、，鑲嵌于活塞銷孔內壁的構造方式。. 襯套的資料及幾何模型確實定活塞襯套的資料如下表.：表. 襯套的資料性能零件資料EGPaMPaMpa銷孔襯套鑄鋁青銅.針對本文所分析的活塞銷孔構造，設計出銷孔襯套。如圖.a襯套實體圖，(b)襯套構造表示圖:半徑為mm，襯套厚度為.mm，長度為.mm。 圖.a 襯套的三維實體圖 圖.b 襯套構造表示圖. 活塞組有限元模型的建立在這里活塞仍采用自在網格劃分，選用solid單元，并對對受力較大的熄滅室，活塞環(huán)岸，及銷孔處進展細化進展了網格細化；銷和襯套采用solid單元，銷用掃描方法進展網格劃分，襯套用自在網格劃分。網格劃分結果如以下圖.圖. 活塞組的有限元模型.

50、活塞組的機械載荷及邊境條件確實定改良后的活塞組所收的任務情況和改良前一樣，故所收的機械載荷與邊境條件不變。但襯套與銷孔之間應建立一個過盈配合的接觸對，以模擬實踐的任務情況。. 活塞組機械載荷下變形的分析活塞組的整體變形與變形前相比如圖.：圖. 改良后活塞組整體變形比較圖活塞組的整體變形如圖.：圖. 該進后的活塞組整體變形分布圖活塞的最大變形仍出如今活塞頂部，及裙部，最大變形為.mm，同改良前有一定的下降；銷孔內側上端仍有較大的變形，但分布較均勻，最大變形.mm，同改良前也有所降低。變形根本關于對稱面對稱，從上到下有一定的梯度。. 活塞組機械載荷下的應力分析在機械載荷下，活塞在軸線方向的應力分布

51、如圖.：圖. 改良后的活塞組軸向應力分布圖活塞組的等效應力分布如圖.：圖. 改良后的活塞組的等效應力分布圖從圖中可知活塞組的應力依然很大，但是同改良前的構造相比，襯套上的應力及集中比較明顯，銷孔處的最大應力為.Mpa，有所降低，而且銷孔處的應力分布趨向均勻。結 論本文以汽油發(fā)動機為模型，結合有限元知識，用PRO/E和ANSYS工具對模型進展了分析，并經過在活塞銷孔內嵌套襯套的方法該進模型，最后做了對比分析。得到了如下結論：針對本文所研討的活塞，經過分析原活塞的機械應力云圖與變形云圖，得出活塞與活塞銷接觸的銷孔內側上緣出現了較大應力，最大應力值為Mpa，銷孔部位變形值為.mm;采用銷孔內嵌入鑄鋁青銅襯套活塞，分析得出銷孔內側上緣的最大應力值為.MPa，變形值為.mm。這些數據充分闡明采用參與銷孔襯套的活塞可以使銷孔外表的應力趨向均勻，變形量減小。本文提出活塞銷孔內嵌入襯套構造方案，經過有限元計算，在機械載荷的用下，整個活塞可以滿足強度以及變形的要求，活塞銷孔襯套各個部位的應力大小均勻，整個銷孔內側單位面積上應力峰值降低，其可以接受的最大應力要明顯優(yōu)于原活塞銷構造?；钊N孔處的失效方式往往是熱負荷、機械負荷共同作用的結果，