發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及改善

1、.：.；發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷孔構(gòu)造強(qiáng)度分析及改善 摘 要活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零部件之一，任務(wù)中要接受周期性熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷沖擊，活塞的任務(wù)形狀直接決議著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)用壽命。高溫、高壓的任務(wù)環(huán)境使承載最大機(jī)械應(yīng)力的活塞銷孔部位面臨著更大的考驗(yàn)?；钊N座部位任務(wù)溫度在左右，活塞銷與活塞銷孔之間的磨擦還產(chǎn)生著高溫負(fù)荷。因此有必要對(duì)活塞進(jìn)展有限元計(jì)算分析，弄清活塞及其銷孔處的機(jī)械應(yīng)力分布規(guī)律，為改良設(shè)計(jì)提供根據(jù)。本文經(jīng)過PRO/E建立活塞組的/實(shí)體模型。再運(yùn)用ANSYS分析軟件計(jì)算活塞的機(jī)械應(yīng)力與變形，得出活塞銷孔內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中，變形較大。并在此根底上，提出了活塞的構(gòu)造改良措施，采用了在活塞銷孔內(nèi)嵌入鑄鋁青銅襯

2、套。針對(duì)改良設(shè)計(jì)方案進(jìn)展了有限元分析，結(jié)果闡明該改良方案使得活塞銷孔內(nèi)側(cè)的應(yīng)力趨向均勻，改善了銷孔的應(yīng)力集中景象，降低了銷孔外表應(yīng)力峰值，到達(dá)了預(yù)期的效果。關(guān)鍵詞:活塞；機(jī)械應(yīng)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(nèi)外研討現(xiàn)狀 HYPERLINK l _Toc . 課題研討的主要內(nèi)容和方法 HYPERLINK l _Toc 有限元根底實(shí)際及活塞組有限元模型的建立 HYPERLINK l _Toc . 有限元根底實(shí)際及ANSYS簡(jiǎn)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(jiǎn)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(gòu)造強(qiáng)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(shí)定 HYPERLINK l _Toc . 活塞組有限元模型 HYPERLINK l _Toc 活塞組應(yīng)力及變形的研討 HYPERLINK l _Toc . 活塞組在機(jī)械載荷下的變形研討 HYPERLINK l _Toc . 活塞組在機(jī)械載荷作用下應(yīng)力分析 HYPERLINK l _Toc 活塞銷孔構(gòu)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(shí)定 HYPERLINK l _Toc . 活塞組有限元模型的建立

9、 HYPERLINK l _Toc . 活塞組的機(jī)械載荷及邊境條件確實(shí)定 HYPERLINK l _Toc . 活塞組機(jī)械載荷下變形的分析 HYPERLINK l _Toc . 活塞組機(jī)械載荷下的應(yīng)力分析 HYPERLINK l _Toc 結(jié) 論 HYPERLINK l _Toc 展 望 HYPERLINK l _Toc 參考文獻(xiàn) HYPERLINK l _Toc 致 謝平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)闡明書論文 第 PAGE 37 頁 引言. 概述發(fā)動(dòng)機(jī)是一種將燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為機(jī)械功的動(dòng)力機(jī)械。這種能量轉(zhuǎn)換是燃油在氣缸中與空氣充分混合進(jìn)展熄滅，產(chǎn)生高溫高壓的任務(wù)氣體，推進(jìn)活塞、連桿、曲軸，從

10、而使燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械功向外輸出的。發(fā)動(dòng)機(jī)閱歷了一百多年開展，雖然根本構(gòu)造變化不大，但其性能和設(shè)計(jì)程度不斷在不斷提高，其燃油經(jīng)濟(jì)性、升功率、緊湊性、制造本錢、可靠性和運(yùn)用壽命等主要技術(shù)目的不斷得到改善。近年來，為順應(yīng)環(huán)境維護(hù)的要求，在減少其有害排放物、減少振動(dòng)與噪聲等方面也在不斷地提高。伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的提高，必然會(huì)帶來缸內(nèi)燃?xì)獗虐l(fā)壓力和溫度增高。燃?xì)獗虐l(fā)壓力添加，一方面使得活塞、缸體和缸蓋接受的機(jī)械負(fù)荷增大，導(dǎo)致活塞、缸體和缸蓋因強(qiáng)度缺乏而產(chǎn)生破壞。另一方面壓力升高過大，還會(huì)產(chǎn)生敲缸景象和添加發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅噪聲。燃?xì)鉁囟壬撸瑢?dǎo)致組成發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅室的受熱零件熱負(fù)荷添加，產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力和熱

11、變形，溫度過高還會(huì)導(dǎo)致受熱零件資料強(qiáng)度和硬度急劇下降，降低其可靠性和運(yùn)用壽命。活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)條件最苛刻的零件之一，它在高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)中傳送著整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)原動(dòng)力，接受著非常高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷?；钊侵萍s發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步強(qiáng)化的瓶頸之一?；钊O(shè)計(jì)好壞、加工精度的高低都會(huì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性、可靠性、檢修周期和運(yùn)用壽命。溫度過高會(huì)降低資料許用應(yīng)力和強(qiáng)度，從而縮短活塞運(yùn)用壽命和降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能。另外在熱負(fù)荷和機(jī)械載荷作用下，活塞整領(lǐng)會(huì)發(fā)生變形，從而影響活塞與缸套之間的配合精度。發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)時(shí)，各零件之間存在著多種運(yùn)動(dòng)方式，而且有的大運(yùn)動(dòng)組件之中還包含著微小的運(yùn)動(dòng)，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，活塞和缸套之間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中

12、，就同時(shí)存在著活塞銷和銷孔間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、活塞環(huán)和活塞環(huán)槽之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這些零件間雖然沒有很高的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，但是存在著很大的作用力，這樣，在相互接觸之間就會(huì)產(chǎn)生接觸應(yīng)力和切向運(yùn)動(dòng)阻力摩擦力，因此會(huì)呵斥摩擦損失，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)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(yùn)動(dòng)且存在相互作用力，就一定存在摩擦力。這種摩擦力，雖然對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率沒有多大的影響，但是，假設(shè)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(yīng)力過大，就會(huì)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(gòu)成干摩擦，將有能夠?qū)е禄钊N孔外表拉毛、拉傷，使之不能正常任務(wù)；同時(shí)作用在銷孔上機(jī)械應(yīng)力

13、過大，而此時(shí)活塞資料在高溫下性能下降，有能夠使活塞銷孔產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致活塞銷孔開裂、破碎，甚至損壞發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體。對(duì)活塞進(jìn)展熱、力分析研討方法有多種，近年來，利用有限元技術(shù)對(duì)活塞進(jìn)展熱、力耦合研討越來越普遍。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下開展起來的有限元法FEM，F(xiàn)inite Element Method為處理發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的分析計(jì)算問題提供了有效途徑，它具有實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)際解析方法無可比較的優(yōu)勢(shì)，己經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)性能研討的重要手段。在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)際中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)集成運(yùn)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)品本錢，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

14、，經(jīng)過模擬各種實(shí)驗(yàn)方案，預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在問題，從而減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。如今有限元分析方法在活塞開發(fā)設(shè)計(jì)中已得到廣泛運(yùn)用，大大提高了活塞設(shè)計(jì)的可靠性，縮短了開發(fā)周期。. 國內(nèi)外研討現(xiàn)狀基于計(jì)算機(jī)技術(shù)開展和運(yùn)用的普及，目前國外公司對(duì)活塞的機(jī)械疲勞研討多采用對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)耐久實(shí)驗(yàn)與活塞液壓脈沖疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以計(jì)算機(jī)仿真建模和有限元計(jì)算為支持，模擬熱負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷等對(duì)活塞構(gòu)造的影響，計(jì)算活塞的熱機(jī)械應(yīng)力，斷定活塞的可靠性能。但由于技術(shù)嚴(yán)密的緣由，國外研討機(jī)構(gòu)對(duì)世紀(jì)末期以后的活塞機(jī)械疲勞可靠性研討及相關(guān)文獻(xiàn)處于嚴(yán)密形狀，活塞資料S N曲線規(guī)律、新資料的研制、機(jī)械疲勞研討中的新技術(shù)等鮮見相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道。國外對(duì)活塞

15、銷孔機(jī)械疲勞可靠性的實(shí)驗(yàn)研討包括發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性實(shí)驗(yàn)及活塞液壓脈沖疲勞實(shí)驗(yàn)兩種方式，部分研討機(jī)構(gòu)還進(jìn)展了銷座部位的應(yīng)力測(cè)試任務(wù)。國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)公司對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的考核也有所不同。英國Wellworth公司以%標(biāo)定功率運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)，然后再進(jìn)展小時(shí)k最大扭矩實(shí)驗(yàn)，考核活塞銷座、熄滅室邊緣等部位能否出現(xiàn)裂紋;日本小松制造所對(duì)工程機(jī)械用柴油機(jī)進(jìn)展了強(qiáng)化對(duì)比實(shí)驗(yàn)，柴油機(jī)以標(biāo)定工況運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)后活塞銷座出現(xiàn)裂紋，當(dāng)以%負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，小時(shí)活塞銷座就出現(xiàn)了裂紋。國內(nèi)各發(fā)動(dòng)機(jī)公司及國家規(guī)范也有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)考核規(guī)范。與發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性實(shí)驗(yàn)相比，思索到高效、節(jié)能及便于分析的特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)來考核

16、銷座的可靠性?；钊簤好}沖疲勞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的活塞由活塞銷和連桿支撐，用兩個(gè)獨(dú)立油壓控制系統(tǒng)對(duì)活塞施加脈動(dòng)載荷，一個(gè)位于活塞頂部模擬氣體壓力，另一個(gè)位于活塞下側(cè)模擬慣性力。ZOLLNER公司對(duì)柴油機(jī)活塞銷孔可靠性進(jìn)展的實(shí)驗(yàn)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(gòu)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(gòu)造對(duì)提高活塞銷孔的疲勞極限影響甚小。. 課題研討的主要內(nèi)容和方法 () 利用PRO/E軟件對(duì)活塞和銷的/模型進(jìn)展實(shí)體建模，并做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。() 活塞遭到的機(jī)械載荷主要有氣體爆炸壓力，往復(fù)慣性力，側(cè)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(jìn)展簡(jiǎn)化，定義適當(dāng)?shù)倪吘澄灰茥l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(yīng)力及其位置，并求出活塞銷孔處的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中情況；同時(shí)分析活塞的變形情況和活塞銷孔處的變形情況。() 對(duì)活塞銷孔構(gòu)造進(jìn)展改良，并進(jìn)展分析，同改良前的應(yīng)力分布和變形情況進(jìn)展比較，并給出建議。 有限元根底實(shí)際及活塞組有限元模型的建立. 有限元根底實(shí)際及ANSYS簡(jiǎn)介. 有限元法概述有限元法Finite Element Method，F(xiàn)EM，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(gòu)造矩陣分析

18、推行而來的。來源于年代的桿系構(gòu)造矩陣分析，是把每一桿件作為一個(gè)單元，整個(gè)構(gòu)培育看作是由有限單元桿件銜接而成的集合體，分析每個(gè)單元的力學(xué)特性后，再組集起來就能建立整體構(gòu)造的力學(xué)方程式，然后利用計(jì)算機(jī)求解。有限元離散化是假想把彈性延續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并以為相鄰單元之間僅在節(jié)點(diǎn)處相連。根據(jù)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(diǎn)普通都在單元邊境上，節(jié)點(diǎn)的位移分量是作為構(gòu)造的根本未知量。這樣組成的有限單元結(jié)合體，并引進(jìn)等效節(jié)點(diǎn)力及節(jié)點(diǎn)約束條件，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目有限，就成為具有有限自在度的有限元計(jì)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(duì)每一單元根據(jù)分塊近

19、似的思想，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)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(jīng)過虛功原理或變分原理或其他方法求得每個(gè)單元的平衡方程，就是建立單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系。最后，把一切單元的這種特性關(guān)系，按照?qǐng)?jiān)持節(jié)點(diǎn)位移延續(xù)和節(jié)點(diǎn)力平衡的方式集合起來，就可以得到整個(gè)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(diǎn)位移，并計(jì)算出各單元應(yīng)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(gòu)造、邊境條件和外力獲取資料性質(zhì)建立有限元模型，包括： 單元類型 資料性質(zhì)加載并求解輸出分析結(jié)果結(jié)果能否合理進(jìn)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(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。普通來講，網(wǎng)格數(shù)量添加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)添加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因數(shù)綜合思索。圖. 位移精度和計(jì)算時(shí)間隨網(wǎng)格數(shù)量的變化圖.中的曲線表示構(gòu)造中的位移隨網(wǎng)格數(shù)量收斂的普通曲線，曲線代表計(jì)算時(shí)間隨網(wǎng)格數(shù)量的變化?？梢钥闯?，網(wǎng)格較少時(shí)添加網(wǎng)格數(shù)量可以使計(jì)算精度明顯提高，而計(jì)算時(shí)間不會(huì)有大的添加。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量添加到一定程度后，再繼續(xù)添加網(wǎng)格時(shí)精度提高甚微，而計(jì)算時(shí)間卻有大幅度添加。所以應(yīng)留意添加網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)踐運(yùn)用時(shí)可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計(jì)算結(jié)果，假設(shè)兩次計(jì)算結(jié)果相差較大，可以繼續(xù)添加網(wǎng)格，相反那么停頓

21、計(jì)算。在決議網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)思索分析數(shù)據(jù)的類型。在靜力分析時(shí)，假設(shè)僅僅是計(jì)算構(gòu)造的變形，網(wǎng)格數(shù)量可以少一些。假設(shè)需求計(jì)算應(yīng)力，那么在精度要求一樣的情況下應(yīng)取相對(duì)較多的網(wǎng)格。同樣在呼應(yīng)計(jì)算p，計(jì)算應(yīng)力呼應(yīng)所取的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)比計(jì)算位移呼應(yīng)多。在計(jì)算構(gòu)造固有動(dòng)力特性時(shí)，假設(shè)僅僅是計(jì)算少數(shù)低階模態(tài)，可以選擇較少的網(wǎng)格，假設(shè)計(jì)算的模態(tài)階次較高，那么應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格。()網(wǎng)格疏密網(wǎng)格疏密是指在構(gòu)造不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了順應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位(如應(yīng)力集中處)，為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需求采用比較密集的網(wǎng)格。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，那么應(yīng)劃分相對(duì)

22、稀疏的網(wǎng)格。這樣，整個(gè)構(gòu)造便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分方式。圖.是中心帶圓孔方板的四分之一模型，其網(wǎng)格反映了疏密不同的劃分原那么。小圓孔附近存在應(yīng)力集中，采用了比較密的網(wǎng)格。板的 圖. 帶孔方板的四分之一模型周圍應(yīng)力梯度較小，網(wǎng)格分得較稀。其中圖b，網(wǎng)格疏密相差更大，它比圖a的網(wǎng)格少個(gè)，但計(jì)算出的孔緣最大應(yīng)力相差l%，而計(jì)算時(shí)間卻減小了k。由此可見，采用疏密不同的網(wǎng)格劃分，既可以堅(jiān)持相當(dāng)?shù)挠?jì)算精度，又可使網(wǎng)格數(shù)量減小。因此，網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)添加到構(gòu)造的關(guān)鍵部位，在次要部位添加網(wǎng)格是不用要的，也是不經(jīng)濟(jì)的。劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應(yīng)力分析(包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力)，而計(jì)算固有特性時(shí)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(gòu)造質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中的景象，采用均勻網(wǎng)格可使構(gòu)造剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計(jì)算誤差。同樣，在構(gòu)造溫度場(chǎng)計(jì)算中也趨向于采用均勻網(wǎng)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(jì)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(gòu)造的曲線和曲而邊境，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場(chǎng)函數(shù)，所以當(dāng)構(gòu)造外形不規(guī)那么、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時(shí)可以選用高階單元。但高階單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)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(yùn)用時(shí)應(yīng)權(quán)衡思索

24、計(jì)算精度和時(shí)間。圖.是一懸臂梁分別用線性和_次三角形單元離散時(shí)，其頂端位移隨網(wǎng)格數(shù)量的收斂情況?？梢钥闯?，但網(wǎng)格數(shù)量較少時(shí)，兩種單元的計(jì)算精度相差很大， 圖. 不同階次單元的收斂情況這時(shí)采用低階單元是不適宜的。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較多時(shí)，兩種單元的精度相差并不很大，這時(shí)采用高階單元并不經(jīng)濟(jì)。例如在離散細(xì)節(jié)時(shí)，由于細(xì)節(jié)尺寸限制，要求細(xì)節(jié)附近的網(wǎng)格劃分很密，這時(shí)采用線性單元更適宜。添加網(wǎng)格數(shù)量和單元階次都可以提高計(jì)算精度。因此在精度一定的情況下，用高階單元離散構(gòu)造時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量，太多的網(wǎng)格并不能明顯提高計(jì)算精度，反而會(huì)使計(jì)算時(shí)間大大添加。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算量，同一構(gòu)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(diǎn)約束等式銜接。 ()網(wǎng)格質(zhì)量網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格兒何外形的合理性。質(zhì)量好壞將影響計(jì)算精度。質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂?jì)算。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個(gè)內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格而不過分扭曲、邊節(jié)點(diǎn)位于邊境等份點(diǎn)附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格質(zhì)量可用細(xì)長比、錐度比、內(nèi)角、翹曲量、拉伸值、邊竹點(diǎn)位置偏向等目的度量。劃分網(wǎng)格時(shí)普通要求網(wǎng)格質(zhì)量能到達(dá)某此目的要求。在重點(diǎn)研討的構(gòu)造關(guān)鍵部位，應(yīng)保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使是個(gè)別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會(huì)引起很大的部分誤差。而在構(gòu)造次要部位，網(wǎng)格質(zhì)量可適當(dāng)降低。當(dāng)模型中存在質(zhì)量很

26、差的網(wǎng)格(稱為畸形網(wǎng)格)時(shí)，計(jì)算過程將無法進(jìn)展。圖.是三種常見的畸形網(wǎng)格，其a單元的節(jié)點(diǎn)交叉編號(hào)，b單元的內(nèi)角大于，C單元的兩對(duì)點(diǎn)重合，網(wǎng)格面積為零。圖. 幾種常見的畸形網(wǎng)格 ()網(wǎng)格分界面和分界點(diǎn)構(gòu)造中的一些特殊界面和特殊點(diǎn)應(yīng)分為網(wǎng)格邊境或節(jié)點(diǎn)以便定義資料特性、物理特性、載荷和位移約束條件。即應(yīng)使網(wǎng)格方式滿足邊境條件特點(diǎn)，而不應(yīng)讓邊境條件來順應(yīng)網(wǎng)格。常見的特殊界面和特殊點(diǎn)有資料分界面、幾尺寸突變面分布載荷分界限(點(diǎn))、集中載荷作用點(diǎn)和位移約束作用點(diǎn)等。 ()位移協(xié)調(diào)性位移協(xié)調(diào)是指單元上的力和力矩可以經(jīng)過節(jié)點(diǎn)傳送相鄰單元。為保證位移協(xié)調(diào)，一個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)必需同時(shí)也是相鄰單元的節(jié)點(diǎn)，而不應(yīng)是內(nèi)點(diǎn)或

27、邊境點(diǎn)。相鄰單元的共有節(jié)點(diǎn)具有一樣的自在度性質(zhì)。否那么，單元之間須用多點(diǎn)約束等式或約束單元進(jìn)展約束處置。圖.是兩種位移不協(xié)調(diào)的網(wǎng)格劃分，圖a中的節(jié)點(diǎn)僅屬于一個(gè)單元，變形后會(huì)產(chǎn)生資料裂痕或重疊。圖b中的平面單元和梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)的自在度性質(zhì)不同，粱單元的力矩?zé)o法傳送到平面單元。圖. 位移不協(xié)調(diào)的網(wǎng)格劃分)網(wǎng)格規(guī)劃當(dāng)構(gòu)造外形對(duì)稱時(shí)，其網(wǎng)格也應(yīng)劃分對(duì)稱網(wǎng)格，以使模型表現(xiàn)出相應(yīng)的對(duì)稱特性(如集中質(zhì)矩陣對(duì)稱)。不劉一稱規(guī)劃會(huì)引起一定誤差，如在圖.中，懸臂粱截面相對(duì)軸對(duì)稱，在對(duì)稱載荷作用下，自在端兩對(duì)稱節(jié)點(diǎn)、的撓度值本應(yīng)相等。但假設(shè)分圖所不對(duì)稱網(wǎng)格，計(jì)算出的y，=.，yZ=.。假設(shè)改用圖C所示的網(wǎng)格，那么y，和

28、y完全一樣。圖. 網(wǎng)格規(guī)劃對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響)節(jié)點(diǎn)和單元編號(hào)節(jié)點(diǎn)和單元的編號(hào)影響構(gòu)造總剛矩陣的帶寬和波前數(shù)，因此影響計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)量的大小，因此合理的編號(hào)有利于提高計(jì)算速度。但對(duì)復(fù)雜模型和自動(dòng)分網(wǎng)而言，人為確定合理的編號(hào)很困難，日前許多有限元分析軟件自帶有優(yōu)化器，網(wǎng)格劃分后可進(jìn)展帶寬和波前優(yōu)化從而減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度。. ANSYS簡(jiǎn)介ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解構(gòu)造、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題。因此它可運(yùn)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。 軟件主要包括三個(gè)部分：前處置模塊，分析計(jì)

29、算模塊和后處置模塊。 前處置模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型； 分析計(jì)算模塊包括構(gòu)造分析可進(jìn)展線性分析、非線性分析和高度非線性分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)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(jì)算結(jié)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(gòu)造內(nèi)部等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)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(gòu)造和資料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)轉(zhuǎn)在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種

30、計(jì)算機(jī)設(shè)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(jì)算時(shí)以/的活塞為分析對(duì)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(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)展網(wǎng)格劃分和邊境條件定義，為了減少單元數(shù)量以及大小單元尺寸差，忽略模型中一些對(duì)分析影響很小的特征，比如：活塞油孔、導(dǎo)油槽和微斜角等。用PRO/E建立此模型的優(yōu)點(diǎn)是便于對(duì)活塞進(jìn)展幾何尺寸上的優(yōu)化設(shè)計(jì)與構(gòu)造上的改良，以及具有和有限元軟件很好的接口。活塞的幾何建模及處置過程活塞由于構(gòu)造復(fù)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(zhǔn)確性，又要思索幾何模型對(duì)于建立有限元網(wǎng)格的可行性。針對(duì)本文采用的活塞，以彈性力學(xué)為根據(jù)，對(duì)于不失準(zhǔn)確性的小構(gòu)造進(jìn)展適當(dāng)簡(jiǎn)化、忽略，在滿足準(zhǔn)確性的要求下，也使網(wǎng)格的劃分更加理想，使計(jì)算可以不失真，為以后的處置帶來很大方便。這里有必要對(duì)普通意義上的幾何模型和基于有限元的幾何模型進(jìn)展區(qū)分闡明。普通意義上的幾何模型只需求把原來的實(shí)體表達(dá)清楚便可以，當(dāng)然這里包括尺寸表達(dá)清楚、空間位置表達(dá)明晰，此時(shí)不需求對(duì)表達(dá)方式進(jìn)展選擇，只需可以到達(dá)以上各點(diǎn)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(shí)體的尺寸以及空間位置表達(dá)清楚，更

32、需求留意的是此幾何模型對(duì)于后面分析計(jì)算過程的可行性，這包括網(wǎng)格的劃分、邊境條件的附加、單元尺寸的合理性、分析計(jì)算結(jié)果的稱心度等，這些都是此幾何模型合理性及可行性的評(píng)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(duì)于活塞這樣構(gòu)造復(fù)雜的零件，普通意義上的幾何模型雖然能清楚表達(dá)原來的實(shí)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(duì)其進(jìn)展適當(dāng)處置。對(duì)于復(fù)雜實(shí)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(jiān)持幾何模型準(zhǔn)確性，對(duì)于應(yīng)力和變形來說作為影響要素的構(gòu)造這里指幾何外形而言，哪些構(gòu)造是不可忽略的，而哪些是可以忽略的，必需區(qū)分清楚，進(jìn)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(zhǔn)確性。對(duì)于重點(diǎn)分析計(jì)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(jiān)持其完好性和準(zhǔn)確全面性，以使計(jì)算分析可以準(zhǔn)確完好。在構(gòu)造幾何模型同時(shí)就已決議以后規(guī)整網(wǎng)格劃分的過程，此處有限元網(wǎng)格劃分是以點(diǎn)、線為根底，對(duì)于三維實(shí)體而言，是以部件PART為單位進(jìn)展網(wǎng)格的拓展劃分CREEP，這就需求在幾何建模同時(shí)，留意點(diǎn)、線、多義線和外廓線的分布和尺寸。假設(shè)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?qū)е戮W(wǎng)格劃分的不均勻，單元比例失調(diào)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏向，甚至有限元網(wǎng)格劃分或有限元計(jì)算過程的終止，這也是建模過程中兩個(gè)矛盾方面，一方面要盡量準(zhǔn)確

34、描畫實(shí)體幾何外形，這就需求運(yùn)用較小的單元進(jìn)展網(wǎng)格劃分，而對(duì)于有限元計(jì)算程序而言，其計(jì)算容量這里包括各種幾何要素、特別是單元和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目是有限的，要使計(jì)算結(jié)果可行準(zhǔn)確，不能運(yùn)用過多的單元或過小的單元過小的單元容易導(dǎo)致單元畸變。對(duì)于活塞這樣一個(gè)復(fù)雜的幾何實(shí)體，要做到準(zhǔn)確完好，更需相應(yīng)的嘗試和閱歷。在建造幾何模型的同時(shí)，還需求思索邊境條件的附加，實(shí)際上對(duì)表面的有限元單元逐節(jié)點(diǎn)或逐單元進(jìn)展邊境條件附加是可行的，然而現(xiàn)實(shí)上，尤其對(duì)于活塞這樣一個(gè)構(gòu)造復(fù)雜的零件而言，是非常困難的。所以這又要求在建模的同時(shí)，對(duì)于不同的邊境條件給予不同的面或區(qū)域這是針對(duì)三維的實(shí)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(yùn)用的活塞詳細(xì)建模過程作詳細(xì)引見：活塞頂部的處置汽油機(jī)活塞的頭部外形較為復(fù)雜，本研討運(yùn)用的活塞為圓形的凹坑頂部，凹坑位于活塞頂部的中央?；钊^部呈正圓錐形。為了便于劃分網(wǎng)格，在頂面過渡處省略圓角?；钊h(huán)岸以及環(huán)區(qū)的處置此處嚴(yán)厲按照原有尺寸進(jìn)展建模，但需闡明對(duì)于尺寸極小的弧形斜度和臺(tái)階給予忽略，這些構(gòu)造對(duì)于熱力學(xué)分析的影響極小，但其又會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格劃分的失敗或計(jì)算結(jié)果的嚴(yán)重偏向，所以對(duì)它進(jìn)展忽略。裙部的處置活塞裙部型線復(fù)雜，在詳細(xì)的建模過程中，裙部按照實(shí)踐尺寸進(jìn)展建模。底部的處置底部由于構(gòu)造不復(fù)雜，完全按照原來尺寸進(jìn)展建模。軸銷座部位的處置軸銷座對(duì)于活塞整體不均勻變形有重要的

36、影響，所以此處作準(zhǔn)確建模，這也是保證變形計(jì)算結(jié)果的重要根據(jù)。內(nèi)腔的處置內(nèi)腔外形對(duì)于活塞頂部傳入的熱量導(dǎo)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(dǎo)油槽和微斜角、微圓角的處置由于油孔、導(dǎo)油槽和微斜角、微圓角的尺寸均較小，而且其對(duì)于變形的影響極小，所以此處根本上都給予忽略。活塞組幾何模型的參數(shù)活塞的根本參數(shù)如下表.：表. 活塞根本參數(shù)參數(shù)參數(shù)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(shù)活塞所處任務(wù)環(huán)境惡劣，因此對(duì)活塞資料性能要求較高，普通要滿足下面幾個(gè)條件：密度小、熱膨脹系數(shù)小、好的耐磨性、機(jī)械性能、熱

37、傳導(dǎo)性、良好的加工性能等。本文采用的資料根本參數(shù)如表.所示：表. 資料的根本參數(shù)零件資料EGPa/m活塞鑄鋁合金.活塞銷合金鋼. 構(gòu)造強(qiáng)度分析的根本概念一點(diǎn)應(yīng)力形狀彈性力學(xué)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(yīng)變、應(yīng)力之間的相互關(guān)系以及它們與外負(fù)荷之間的關(guān)系，因此是零件強(qiáng)度計(jì)算的主要根據(jù)。彈性體內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力形狀可以用九個(gè)應(yīng)力分量來描畫，如圖.所示.其中分別表示在直角坐標(biāo)系上x，y，z三個(gè)方向的正應(yīng)力;表示剪應(yīng)力，其中第一個(gè)腳標(biāo)表示剪應(yīng)力作用截面的法線方向，第二個(gè)腳標(biāo)表示剪應(yīng)力的指向。根據(jù)剪應(yīng)力互等定理，可以得出:。所以，九個(gè)應(yīng)力分量中，只需六個(gè)是不同的。應(yīng)力的正負(fù)號(hào)，通常按以

38、下規(guī)那么確定的:正應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)。剪應(yīng)力，假設(shè)其作用截面的外法線與某一坐標(biāo)軸方向一樣，其應(yīng)力就以沿坐標(biāo)軸的正方向?yàn)檎刈鴺?biāo)袖的負(fù)方向?yàn)樨?fù);對(duì)于外法線與某一坐標(biāo)軸方向相反的截面，其剪應(yīng)力就以沿坐標(biāo)軸負(fù)方向?yàn)檎刈鴺?biāo)軸的正向?yàn)樨?fù)。圖. 九個(gè)應(yīng)力分量表示圖六個(gè)應(yīng)力分量，可以用列陣表示，即 式.應(yīng)變一位移方程在給定負(fù)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(gè)位移分量表示，它們通常是坐標(biāo)x、y、z的函數(shù)。在小變形的情況下，應(yīng)變一位移的關(guān)系是線性的。描畫任一點(diǎn)的應(yīng)變形狀可以用九個(gè)應(yīng)變分量表示，即三個(gè)正應(yīng)變和六個(gè)剪應(yīng)變它們分別是: 式.式中表示正應(yīng)變;表示剪應(yīng)變

39、。應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力一應(yīng)變應(yīng)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(nèi)彈性體能夠發(fā)生的恣意微小位移。它的發(fā)生與時(shí)間無關(guān)，與彈性體所受的外載無關(guān)。彈性體在平衡形狀下發(fā)生虛位移時(shí)，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(nèi)將產(chǎn)生虛應(yīng)變。應(yīng)力在虛應(yīng)變做的虛功是儲(chǔ)存在彈性體內(nèi)的虛應(yīng)變能，假設(shè)用表示虛應(yīng)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(dá)為：假設(shè)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(shí)，外力在虛位移上所做的功就等于彈性體的虛應(yīng)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(nèi)起著導(dǎo)向、接受側(cè)推力和傳熱等作用。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)任務(wù)時(shí)，熄滅室氣體壓力推進(jìn)活塞沿缸套軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在活塞裙部和缸套間構(gòu)成光滑油膜，對(duì)活塞裙部產(chǎn)生法向壓力。另外，還有活塞運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力和連桿對(duì)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(wù)時(shí)活塞缸套系統(tǒng)所產(chǎn)生的變形也會(huì)導(dǎo)致實(shí)踐配缸間隙出現(xiàn)改動(dòng)，從而引起活塞光滑特性變化。假設(shè)變形后實(shí)踐配缸間隙過小會(huì)使活塞產(chǎn)生擦傷，假設(shè)預(yù)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(duì)改善活塞系統(tǒng)的性能具有重要意義。對(duì)活塞的變形進(jìn)展分析，首先應(yīng)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(chǎn)生的作用在活塞頂部的燃?xì)鈮毫Γ籉是由流體動(dòng)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(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)引起的活塞慣性力和銷慣性力，和分別為活塞二階運(yùn)動(dòng)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(xié)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(fù)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(duì)活塞的變形和應(yīng)力影響很小，可忽略不計(jì)。)熄滅室氣體壓力確實(shí)定發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角為時(shí)，由平面幾何關(guān)系計(jì)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(shí)活塞頂部的氣體壓力到達(dá)最大。汽油機(jī)活塞在做功行程中，接受最高壓力可達(dá)-Mpa，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)-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(shí)定活塞運(yùn)動(dòng)到上下止點(diǎn)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向改動(dòng)，此時(shí)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度為零，加速度那么到達(dá)最大值

43、，慣性力也最大；在行程中部附近，活塞運(yùn)動(dòng)速度最大，加速度為零，慣性力也等于零。對(duì)于以恒定角速度旋轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖.活塞的位移活塞的位移x由其上止點(diǎn)開場(chǎng)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(zhuǎn)角， 式.式.就是往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)活塞位移的準(zhǔn)確計(jì)算表達(dá)式，當(dāng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)展計(jì)算時(shí)，可以直接用此式。但手工計(jì)算時(shí)，需將此式適當(dāng)簡(jiǎn)化?？梢缘玫酵鶑?fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)活塞位移的近似計(jì)算表達(dá)式如下： 式.活塞的速度將活塞的位移公式.進(jìn)展微分，便可求得活塞運(yùn)動(dòng)速度的近似值，為： 式.活塞的加速度再對(duì)活塞的速度公式.求

44、導(dǎo)，便可得活塞運(yùn)動(dòng)加速度的近似值，為： 式.帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得加速度a=m/。)活塞的側(cè)推力在最大迸發(fā)壓力作用的工況下，活塞主要受燃?xì)鈮毫?，往?fù)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(shí)活塞正處于上止點(diǎn)附近，裙部所受的側(cè)向壓力值很小，且沿著與活塞軸垂直的方向，對(duì)合力的影響不大，做應(yīng)力分析時(shí)可以忽略不計(jì)。)活塞組機(jī)械載荷的施加活塞頂部和環(huán)岸區(qū)的燃?xì)獗虐l(fā)壓力按均布載荷處置?；钊敳?，火力岸和第一環(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?xì)鈮毫ψ饔眯Ч苄。枰院雎圆挥?jì)。如圖.所示。根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果，活塞所受的往復(fù)慣性力方向向上，與活塞運(yùn)動(dòng)加速度方向相反，如圖.所示。圖. 燃?xì)鈮毫蛻T性力的分布 . 活塞組邊境條件確實(shí)定為了使活塞不產(chǎn)生剛體位移，必需給出適宜的位移約束。通常用一些具有簡(jiǎn)單分布規(guī)律的力和位移作為邊境條件，當(dāng)邊境條件比較復(fù)雜時(shí)，位移約束條件難確定，一些簡(jiǎn)單的假設(shè)往往會(huì)帶來較大誤差。普通位移邊境條件：預(yù)定邊境位移為零某一節(jié)點(diǎn)位移為己知量。如：對(duì)某一節(jié)點(diǎn)位移為己知值。根據(jù)上面的實(shí)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(duì)稱面上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，在該平面內(nèi)的法向位移均為；.約束活塞銷端面的各個(gè)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(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)合理確定有限元?jiǎng)澐址桨?，這樣既保證計(jì)算精度，又不會(huì)耗時(shí)過多。在確定劃分方案之前，有必要進(jìn)展一些測(cè)試，以選擇適宜的計(jì)算網(wǎng)格，假設(shè)部分結(jié)果偏向較大，那么進(jìn)展部分修正，研討采用的網(wǎng)格劃分方案如圖.所示?；钊灿昧藗€(gè)節(jié)點(diǎn)四面體單元來描畫，單元類型為solid；銷共用了個(gè)節(jié)點(diǎn)六面體單元來描畫，單元類型solid；接觸對(duì)單元個(gè)，單元類型為targe和conta；單元總數(shù)為，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為個(gè)。綜合思索單元數(shù)和計(jì)算時(shí)間兩方面要素，本文活塞采用采用自在網(wǎng)格劃分，對(duì)受力較大的熄滅室，活塞環(huán)岸，及銷孔處進(jìn)展細(xì)化；銷

47、采用了掃描劃分，得到了較好的效果。實(shí)際證明，本文活塞網(wǎng)格剖分的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)既能滿足工程精度要求，又不會(huì)耗費(fèi)較多計(jì)算器時(shí)間?；钊邢拊Ｐ腿鐖D.所示。圖. 活塞組的有限元模型第章 活塞組應(yīng)力及變形的研討. 活塞組在機(jī)械載荷下的變形研討本文研討單個(gè)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(jī)械載荷作用下的變形?；钊M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(xiàn)變形

48、。最大變形出如今活塞頂部，和裙部，達(dá).mm，活塞銷孔處最大變形出如今內(nèi)側(cè)上端邊緣，最大為.mm。. 活塞組在機(jī)械載荷作用下應(yīng)力分析活塞組在軸線方向的應(yīng)力分布如以下圖.：圖. 活塞組軸向應(yīng)力分布圖 活塞組的等效應(yīng)力分布如圖.：圖. 活塞組的等效應(yīng)力分布圖由兩圖可知銷孔內(nèi)側(cè)邊緣處有應(yīng)力集中最大為Mpa，最大應(yīng)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(yīng)力分部，及銷孔處的應(yīng)力，這在此不思索。第章 活塞銷孔構(gòu)造改良后的有限元分析上文提到，由于發(fā)動(dòng)機(jī)熄滅時(shí)的迸發(fā)壓力很大，活塞銷孔處應(yīng)力很高，為了降低銷孔外表應(yīng)力峰值，活塞銷孔要做構(gòu)造改良設(shè)計(jì)，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(nèi)壁的構(gòu)造方式。. 襯套的資料及幾何模型確實(shí)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(duì)本文所分析的活塞銷孔構(gòu)造，設(shè)計(jì)出銷孔襯套。如圖.a襯套實(shí)體圖，(b)襯套構(gòu)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(shí)體圖 圖.b 襯套構(gòu)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(wǎng)格劃分，選用solid單元，并對(duì)對(duì)受力較大的熄滅室，活塞環(huán)岸，及銷孔處進(jìn)展細(xì)化進(jìn)展了網(wǎng)格細(xì)化；銷和襯套采用solid單元，銷用掃描方法進(jìn)展網(wǎng)格劃分，襯套用自在網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如以下圖.圖. 活塞組的有限元模型.

50、活塞組的機(jī)械載荷及邊境條件確實(shí)定改良后的活塞組所收的任務(wù)情況和改良前一樣，故所收的機(jī)械載荷與邊境條件不變。但襯套與銷孔之間應(yīng)建立一個(gè)過盈配合的接觸對(duì)，以模擬實(shí)踐的任務(wù)情況。. 活塞組機(jī)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(jìn)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(nèi)側(cè)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(guān)于對(duì)稱面對(duì)稱，從上到下有一定的梯度。. 活塞組機(jī)械載荷下的應(yīng)力分析在機(jī)械載荷下，活塞在軸線方向的應(yīng)力分布

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