基于ANSYS发动机活塞有限元的分析与优化.docx

文章编号: 2095-2716( 2014) 01-0036-06 基于 ANSYS 发动机活塞有限元的分析与优化 孙庆荣，杨 洋 ( 皖江职业教育中心学校，安徽 马鞍山 243000) 关键词: 活塞; 有限元; 机械载荷; 边界条件 摘 要: 对活塞在机械负荷作用下的应力和变形进行了研究。首先，利用三维制图软件 UG 建 立了内燃机活塞的几何模型，在三维有限元分析软件中转换有限元模型。然后探讨了活塞机 械载荷的确定方法。完成了活塞在机械载荷作用下的应力与变形分析，并考虑了活塞裙部侧 推力的影响。结果表明: 活塞的应力主要受机械载荷的影响，同时活塞变形呈轴对称分布，变 形后裙部外形轮廓形状发生较大变化。因此，本文的研究结果将为活塞改进设计提供参考。 中图分类号: TH457 文献标志码: A 上海复旦大学和上海内燃机研究所，早在七十年代就利用轴对称三角形单元对活塞进行有限元分析; 八 十年代初，上海交通大学和华中理工大学分别在传热边界条件方面和活塞的尺寸优化方面进行了深入研究。 但是上述工作仅仅是二维或轴对称阶段，它的任务较为单一，功能比较简单。 随着有限元方法的发展，王等人通过建立柴油发动机铝活塞三维有限元模型，研究在热力耦合作用下活 塞温度分布、热变形和机械变形。研究表明裙部轮廓形状对减少活塞与缸套之间划伤与摩擦发挥了重要作 用。高速直喷式柴油机活塞有限元模型的发展也说明了热交换在活塞设计和发展中的作用。 进入九十年代后，随着计算机硬件技术的进步，对活塞进行应力与变形的研究逐渐增多。天津大学佟景 伟在温度与机械载荷作用下对活塞应力与变形进行了三维元分析。山东活塞厂对活塞在机械载荷和热载荷 作用下的强度进行了有限元分析。吉林工业大学方华和华北工学院周先辉对活塞进行热变形，热应力，机械 变形，机械应力，耦合变形，耦合应力有限元分析，发现活塞在机械负荷与热负荷作用下其变形是不均匀的， 由裙底至头部径向变形逐渐加大，横截面变形后呈椭圆状且椭圆度值由顶部至裙底逐渐减小，长轴方向为销 孔轴线方向，这是造成活塞拉缸的主要原因，这种变形规律推动着活塞型面朝中凸变椭圆方向发展。销座内 侧以及冷却油腔处应力峰值是造成活塞常见破坏形式的主要原因，销座内侧开裂主要由机械负荷引起，冷却 油腔开裂主要由热负荷引起。活塞顶面设计应尽量避免尖角，否则该处热应力将明显增大。 近年来，大连理工大学冯立岩对活塞组在受热载荷下的温度场，机械载荷下的应力与变形和耦合下的应 力进行了有限元分析，结果发现在活塞的有限元分析中，热分析是整个耦合分析的基础环节，而传热边界条 件的确立是决定热分析准确度的最关键因素。建立活塞、活塞环和气缸套的耦合模型，在提高计算精度的同 时，对减小确立边界条件的试算量也大有裨益。活塞销端部上端存在沿销轴方向的变形，对挡塞上端产生挤 压，造成挡塞磨损。 华北工学院董小瑞对汽油机活塞在机械载荷和热载荷耦合作用下的变形与应力进行三维有限元分析， 研究表明 HH471QE 发动机活塞销孔上侧面的等效应力最大，活塞销座与活塞顶过渡部位也存在较大的应 力，而其它部位的应力较小，活塞整体的应力分布比较均匀。由于气体压力作用在活塞顶，活塞整体下移，但 位移量不大。 同济大学郑百林分别对汽油机活塞与柴油机活塞热力耦合作用下的应力与变形及其强度进行了有限元 分析，得到了活塞温度场的结果，在安全工作范围内，第一道环槽边温度值远低于 220 ℃ 。在热载荷和机械 载荷同时作用下，活塞顶部 Y 最大位移出现在第一环槽外边缘，其大小为 － 0． 1974 mm; x 方向最大位移处于 收稿日期: 2013-07-11 顶边角点处，其值为 0． 3337 mm; z 向有负向位移，最大负向位移在另一顶边角点处，大小为 － 0． 3096 mm; 三 个方向的位移都沿周向逐渐变为接近于零。横截面变形后呈椭圆状。北京航空航天大学张继春和武汉理工 大学陈永东利用 Pro / MECHANICA 软件多活塞进行有限元分析。昆明理工大学雷基林与昆明云内动力股份 有限公司进行了 4100QBZ 增压柴油机活塞机械负荷与热负荷耦合分析。中北大学吕彩琴进行了柴油机活 塞的热及惯性力耦合研究，得到了活塞温度最高的部位位于活塞顶中央和活塞顶部燃烧室内侧凸台; 活塞温 度由顶部向裙部逐渐降低。在机械负荷和热负荷对活塞耦合作用后，热应力对活塞综合应力的影响起主导 作用。整体上讲，最大等效应力出现在活塞第二环槽内，主要由于此处温度场梯度较大而引起的。活塞的变 形主要受热负荷的影响，机械负荷的影响要小得多。 2004 年，M Tahar Abbes 等人研究了直喷式柴油机活塞的热力耦合模型，文中建立了直喷式柴油机活塞 的三维有限元模型。采用整体活塞模型，材料为铝合金，采用德国道依茨公司发动