活塞有限元分析

1、基于Pro/MECHANICA的活塞有限元分析張繼春，楊建國，李興虎（北京航空航天大學(xué)汽車工程系，北京；哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院，山東威海）摘要：在環(huán)境下，分別完成了活塞在力載荷、熱載荷和熱力耦合作用下的有限元分析，分析了各種載荷下活塞的應(yīng)力和變形情況，為活塞優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：；活塞；有限元中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）活塞是發(fā)動機的重要零部件之一，活塞的設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系到發(fā)動機性能的優(yōu)劣。有限元分析技術(shù)在提高活塞產(chǎn)品性能和加速活塞研制過程中的重要作用越來越被人們所重視。本文介紹在環(huán)境下，對活塞進行有限元分析。點使這些點在活塞銷孔方向的徑向位移為，在活塞銷孔的下表面加的向的

2、約束，即下表面的向位移為。（）在活塞的頂面及火力岸上施加的力邊（大約是在活塞的銷孔界條件，在活塞的中心的中心軸線處）施加往復(fù)慣性力的邊界條件，活塞銷對活塞的作用力為孔徑力，大小為。加載后的活塞圖如圖所示。簡介是美國參數(shù)技術(shù)公司開發(fā)的有限元軟件。該軟件可以實現(xiàn)和的完全無縫集成。其主要模塊可以分為以下個部分。（）：結(jié)構(gòu)分析軟件包，可以進行零件模型和裝配模型的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化分析。它可以完成的分析種類有靜態(tài)分析、模態(tài)分析、曲屈分析、接觸分析、預(yù)緊分析以及振動分析等。（）：溫度分析軟件包，可以進行零件模型或裝配件模型的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)溫度分析，也可以根據(jù)溫度問題進行靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計。（）：運動分析軟件包，

3、進行機構(gòu)分析和機構(gòu)運動優(yōu)化設(shè)計，可以進行三維靜態(tài)分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、逆向動力學(xué)分析以及干涉檢驗分析等。（）在下建立一個分析，這個分析代表了活塞的受力分析，在的環(huán)境下，在命令過后會對活塞進行自動的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分之后，進行計算。力邊界下活塞的有限元分析約束確定及網(wǎng)格劃分本文采用活塞的模型進行分析，首先按照以下原計算結(jié)果及分析圖所示?；钊膽?yīng)力位移云圖如圖、則確定約束：（）模型對稱面上的每個節(jié)點，在該平面內(nèi)的法向線位移均為。（）活塞銷座的內(nèi)上側(cè)節(jié)點的徑向位移為（）活塞銷座的下半部節(jié)點向的位移為。網(wǎng)格劃分后模型如圖所示。計算工況及載荷確定選取最大爆發(fā)壓力工況作為計算工況，所受載荷有最大爆

4、發(fā)壓力、活塞往復(fù)慣性力和活塞銷座分布力的作用。使用的功能對活塞進行約束和力的加載：（）在下施加對稱面上的約束，使兩個對在活塞銷孔上表面建立個模擬稱面上的軸向位移為。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由于方向作用，所以活塞的軸線方向承受著極大的載荷?；钊谏现裹c附近向下運動時活塞銷會出現(xiàn)彎曲變形，機械工程師年第期使活塞銷座出現(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)力為左右，還遠遠未超過活塞材料在常溫下的最大許用應(yīng)力。而活塞的其他部位應(yīng)力值都在以下。另外，活塞加強筋

5、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)力值同樣小于活塞材料的許用應(yīng)力值。如圖所示，在活塞的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下，活塞銷座的軸線方向上的的剛度顯然大于垂直于軸線方向的剛度，因此發(fā)生的位移理所當然的是垂直與活塞的銷座的軸線方向的位移大于銷座軸線方向上的位移，模型活塞的最大位移為左右，所以活塞的徑向尺寸變化量較大，并不在活塞的允許的配缸間隙內(nèi)，可能會造成拉缸?；钊淖畲笈涓组g隙值應(yīng)滿足這一變形的要求。從圖可以看出，該活塞在反復(fù)變化的燃氣溫度的最大溫度出現(xiàn)的作用下的穩(wěn)態(tài)溫度最大值是左右。地方是活塞頂?shù)闹行奈恢?。之所以出現(xiàn)這種情況是因為該頂面直接與高溫燃氣接觸，另外在該部位也正對著高速流動的燃氣，因為

6、紊流傳熱的原因造成該部分的換熱系數(shù)高于活塞其他部分的傳熱系數(shù)，在施加傳熱系數(shù)時考慮了這一因素的影響，加大了頂面的傳熱系數(shù)，綜合作用的結(jié)果使得活塞頂部出現(xiàn)了溫度最大值。活塞裙部的下端溫度最低，溫度值是左右?；钊N座部分的溫度值也在之間。在活塞火力岸部位溫度在之間，對于評價活塞熱負荷狀態(tài)的第一環(huán)槽溫度這一重要評價指標，從圖上也可以看出，其值在之間，不會因溫度過高而影響氣環(huán)的密封性，從而造成潤滑油結(jié)膠、結(jié)碳（活塞用高溫潤滑油的結(jié)膠溫度為）使發(fā)動機的運行可靠性受到影響。從圖上還可以看出溫度在活塞軸線方向上迅速下降。圖所示為活塞溫度場的等溫線，由于等溫線正好與熱流失量的方向垂直，所以熱流的方向正好通過活

7、塞的頂部向活塞的側(cè)壁散熱，即高溫的燃氣正是通過這種方式向外傳熱的。由圖中還可以看出在活塞的銷部，熱流的方向發(fā)生了變化，正是由于活塞銷部的加強筋實體形狀加上活塞內(nèi)腔換熱系數(shù)的穩(wěn)定性，使得活塞的頂部熱量在此部位的散失較小，所以直接導(dǎo)致活塞銷部的等溫曲線的偏斜。由圖可知，活塞的最大熱流量為，最小熱流量為，最大熱流量位置位于活塞的第一環(huán)槽處。從圖上也可以看出，由燃氣轉(zhuǎn)入活塞頂?shù)臒崃看蟛糠侄纪ㄟ^活塞環(huán)傳給了氣缸壁和冷卻水。而通過活塞裙部和活塞內(nèi)腔傳給表面空氣的熱量占的比例則很小，與國內(nèi)研究者實驗研究結(jié)果相符合。由圖是活塞的溫度梯度云圖，最大溫度梯度值為活塞的熱分析很多文獻把活塞的溫度場簡化為軸對稱溫度場

8、來計算，本文考慮到發(fā)動機結(jié)構(gòu)及活塞各邊界與周圍介質(zhì)（如燃氣、冷卻水、冷卻油）熱交換條件的非軸對稱性，活塞溫在計算活塞溫度場時，通常采度場按三維溫度場計算，。用第三類邊界條件（對流換熱邊界條件）。確定對流換熱邊界條件主要是確定各邊界與燃氣、冷卻水、冷卻油以及與曲軸箱內(nèi)油霧之間的換熱系數(shù)和相應(yīng)的介質(zhì)溫度側(cè)面和內(nèi)腔的工作狀況差異很大，確定。由于活塞頂面、這種熱交換邊界條件的困難在于很難找到一個準確計算活塞與周圍介質(zhì)之間換熱系數(shù)的通用公式。通常確定換熱系數(shù)的方法是采用一些經(jīng)驗或半經(jīng)驗的計算公式來進行。因此本文采用經(jīng)驗公式得到的換熱系數(shù)計算溫度場。活塞表面的對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度的結(jié)果見文獻。在的模式下

9、利用加載熱邊界條件，加載后的活塞的熱邊界條件圖如圖所示。建立一個活塞的靜態(tài)傳熱分析，最小的溫度梯度值為，最大溫度梯度的位置是活塞的第一環(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。會對活塞進行自動的網(wǎng)格劃分并完成計算。圖所示?；钊麩岱治鼋Y(jié)果的溫度云圖、等溫線如圖、通過活塞的溫度場分析，除了要建立相對準確的有限元模型外，最重要工作便是確定活塞的熱分析邊界條機械工程師年第期件。由分析可知，活塞的最高

10、溫度為，發(fā)生在活塞的頂面中心處；最低溫度為，發(fā)生在活塞的裙部的最低點，在活塞頂上的燃燒室周圍與活塞環(huán)槽處有較大的溫度梯度，活塞的主要熱量是從活塞環(huán)處流失的。從圖所示的活塞的耦合位移圖可以看出，活塞最大位移主要集中在活塞的裙部，方向為活塞的徑向，大小約為，它與力載荷的位移相比有所增加，說明了活塞裙部的變形不僅是受力的結(jié)果，同時又是熱載的結(jié)果，不過裙部的變形主要是受到力載荷的影響；另一位移較大處為活塞的頂部邊緣處，大小為左右，這主要是活塞受熱膨脹的結(jié)果，另外還有活塞受力產(chǎn)生的變形，這兩者疊加的共同作用，造成了活塞的頂部邊緣處的位移方向并不確定，如果要指出它的變形方向，只能說是向斜下方。由于活塞的受

11、力載荷和熱載的共同作用，活塞的綜合位移主要集中在活塞的頂部邊緣和活塞的裙部底部。綜合考慮其結(jié)果，活塞與缸壁之間的間隙值應(yīng)滿足這一膨脹的要求?；钊臒崃︸詈戏治鲈诘沫h(huán)境下，建立活塞的熱邊界條件，建立熱分析后，在的環(huán)境下加載活塞的力和約束的邊界條件，然后在此環(huán)境下通過的方式將熱分析以力載荷的形式加載到力分析中去，然后建立一個靜態(tài)的力學(xué)分析（其中包含），在啟動的命令后，系統(tǒng)會自動劃分網(wǎng)格并加以分析，可以分別得到活塞的熱應(yīng)力應(yīng)變和位移、耦合應(yīng)力應(yīng)變和位移。加載后的活塞的邊界條件圖如圖所示。耦合應(yīng)力云圖如圖所示，耦合位移云圖如圖所示?；钊谑艿礁邷厝細夂土d荷的共同作用的情況下，活塞同樣地受到對稱剖面法

12、向位移為，銷座孔上表銷孔下表面的向位移為的面的節(jié)點的徑向位移為、情況下，活塞會產(chǎn)生耦合應(yīng)力。結(jié)論（）活塞在燃氣爆發(fā)壓力、往復(fù)慣性力及活塞銷座孔的分布力作用下，危險應(yīng)力值位置在銷座上表面的內(nèi)緣，應(yīng)力值為左右，遠未超過活塞材料在此溫度下的許用值。模型活塞的最大位移值大約在左右。（）活塞最高溫度為，發(fā)生在活塞頂面中心處，最低溫度為發(fā)生在活塞裙部的最低點，活塞的軸向溫度梯度較大。在活塞頂上的燃燒室周圍與活塞環(huán)槽處有較大的溫度梯度，活塞的主要熱量是從活塞環(huán)處流失的。以作為參考溫度，活塞在溫度載荷的作用下，產(chǎn)生的最大熱應(yīng)力值為，其位置在活塞銷座孔的上下表面交界處，該處的約束限制了活塞的膨脹，形成了較大的熱

13、應(yīng)力。（）在燃氣爆發(fā)壓力和溫度載荷的共同作用下，在活塞的應(yīng)力值以力載荷應(yīng)力為主，力和熱共同作用的疊加造成了活塞的應(yīng)力云圖。活塞的最大應(yīng)力值，危險區(qū)出現(xiàn)在活塞銷座孔的上表面的內(nèi)側(cè)，應(yīng)力值最大為；模型最大位移變形值，集中在活塞的裙部?；钊捻敳縿t以熱膨脹變形為主。由圖可知，在溫度場與力場的耦合作用下，活塞的應(yīng)力危險區(qū)出現(xiàn)在活塞銷座孔上表面的內(nèi)側(cè)附近區(qū)域內(nèi)，此區(qū)的應(yīng)力最值約為，而最大應(yīng)力約為參考文獻鄭永剛，馬學(xué)軍活塞強度有限元分析山東內(nèi)燃機，（）：譚建松，嚴兆大，劉鎮(zhèn)濤非對稱結(jié)構(gòu)活塞的有限元計算車用發(fā)動機，（）：史紹熙柴油機設(shè)計手冊（上、中、下）北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，元成浩，趙元姬發(fā)動機的活塞溫度場及熱應(yīng)力的有限元計算分析汽車技術(shù)，（）：（編輯立明）左右，它的數(shù)值比活塞在只受力載荷時的應(yīng)力增加了約的應(yīng)力，這就充分說明了在目前的約束下，活塞在力與熱的共同作用下，活塞的力應(yīng)力占主導(dǎo)地位，在熱與力的共同疊加作用下，活塞的應(yīng)力很明顯地集中在活塞銷座內(nèi)緣內(nèi)，這是造成活塞損壞的主要區(qū)域，也是優(yōu)化設(shè)計需要重點考慮的地方，而且活塞的加強筋與活塞頂面的交界處也出現(xiàn)了應(yīng)力集中，說明了熱的作用對此處的影響較大。!作者簡介：張繼春（），男，講師，博士生，主要研究方向為汽車及發(fā)動機現(xiàn)代設(shè)計、分析方法。收稿日期："$"$&q