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1、海南大学毕业论文（设计）题 目： 基于ANSYS的活塞应力分析 学 号：20120507310093姓名：杨一鸣年级：2012级学院：机电工程学院系另IJ:汽车系专业：车辆工程指导教师：程晓鸣2015 年 5 月 23 0完成日期：摘要活塞作为内燃机中非常关键的一个零部件，其工作的状况在很大程度 上直接影响着内燃机正常地使用以及长期的使用。活塞本身的结构组成和 其在内燃机中所处的工作环境都是非常复杂的，在正常的运行过程中活塞 一方面会受到高压燃气压力、侧向推力和摩擦力等周期性载荷的作用。同 吋在工作状态下由于可燃气体在燃烧时产生高温高压，在这样的环境下活 塞的顶部以及活塞整体的温度都会特别高，
2、与之相伴的活塞会出现非常不 均匀的温度分布，结果导致活塞会出现热应力和热变形。活塞在内燃机中 运动时，由于高温环境的影响，会使得活塞发生一系列故障例如：裂纹、 活塞环胶结以及拉缸等。针对以上的分析，本文着重对某型活塞进行了温 度场、热应力场等的有限元分析。木文在三维制图软件UG中绘制了某型活塞的实体模型，转换并保存 为Iges格式，再导入到有限元分析软件ANSYS中，以此来得到分析所需 的有限元模型。分析计算某型活塞相关的热边界条件和确定相应约束，运 用ANSYS软件实现温度场分析，然后对活塞的热状态进行分析判断。最 后确定在热负荷单独作用下活塞各部分所产生的应力和变形。关键词：柴油机活塞；热
3、负荷；有限元；温度场；应力；AbstractThe piston is one of the major parts of the internal-combustion engine，its working condition concerns using normaly and durability of internal-conbustion engine firsthand.We all know that the structure of piston and its working environment are very complicatedJn working conditi
4、on,periodic load,such as high gas-pressure,thrust misalignment and friction force load on the piston.The bum of high-pressure gas produced high temperature makes piston top and whole temperature of piston very highland the temperature distribution is asymmetry,causing the piston to produce heat stre
5、ss and heat distortion.Heat load make piston to produce crackle,piston-ring gluing and scuffing of cylinder bore and so on.So calculating and analyzing the piston temperature field and thermal force field，finding out the heat load state of the piston.In the 3D graphics software this text plot piston
6、 model and convert into Iges format. And then import to finite element software of ANSYS.lt calculated the heat boundary and determined the setting of the lotus boundary condition and constraint.Besidesjt got the result of stress and distortion under the function of heat load.Keypoint:Diesel Piston;
7、ThermaI Ioad;FEM;Temperature Field;Stress目录1会者论11.1活塞有限元法研究的背景和研宄意义11.2研究主要内容22ANSYS软件介绍32.1 ANSYS软件简介32.2 ANSYS软件的主要技术特点32.3 ANSYS进行有限元分析的主要步骤33活塞热分析理论43.1热分析的基木理论53.2温度场53.3傅里叶定律导热基本定律53.4导热微分方程及定解条件63.5对流换热理论94活塞的温度场分析94.1活塞的热负荷104.2实体建模104.3活塞有限元建模114.4单元类型的选取124.5活塞的网格划分124.6活塞热对流边界条件134.6.1燃气对
8、活塞顶部的换热系数和燃气平均温度134.6.2活塞火力岸、裙部和活塞环区换热系数和环境温度144.6.3活塞内腔换热系数154.7活塞的温度场分析175活塞的热应力分析186结论和展望216.1结论216.2工作展望21至文i射2324参考文献1绪论1.1活塞有限元法研宄的背景和研宄意义发动机是一种通过燃料的燃烧产生热能进而转变成机械能的机械之 一，发动机的发展经历了从起初的单缸燃烧到如今多缸、多种形式、多种 燃料。在发动机设计过程中伴随着新技术、新成果的创新应用，发动机的 发展方向将循着高转速、高功率和低油耗、低排放的路径进行1。提高发动机功率，就会相应产生一些负面影响。首先功率的提高就相
9、应增加了活塞的热负荷，致使活塞承受的温度超出了其材料所能够承受的 最高温度，从而极大地降低了活塞材料的强度，最坏的情况会烧损活塞； 其次缸内的爆发压力急剧增大，导致活塞和缸体、缸盖承受的机械负荷也 相应增加，并因强度不足而受到破坏2。为了达到发动机高功率的要求，就需要特别考虑发动机材料的选取。 发动机是汽车的动力枢纽，而作为发动机中最关键的部件之一，活塞的工 作状况如何直接关系到了发动机运行的好与坏。活塞在发动机中的工作环 境是极其复杂恶劣的。首先，会有非常大的机械负荷作用，其数值非常之 大，同时会产生很大的冲击性。其次也是本篇论文重点需要分析研允的部 分，在发动机不断地进行循环往复工作过程中
10、，活塞顶部直接与高温燃气 相接触，正是由于活塞特有的工作特性，在内燃机的工作循环中，活塞成 为了比较容易出问题的一个部件。如果要保证内燃机连续不断地工作，就 需要活塞在较高的温度和压力下不断的在缸套中做往复运动。活塞在工作 过程中受着热负荷和机械负荷的双重作用力，此外活塞裙部还要经受缸套 的侧推力作用，如果润滑的条件又不好，这一切都将导致活塞发生严重的 磨损现象，因而大大降低活塞的性能3。在如此恶劣的工作环境中工作，活 塞很容易出现问题，进而影响到柴油机的整体性能，由此可以看出，对活 塞进行深入地研宄是多么重耍。燃气在燃烧室内燃烧时，活塞的温度可以 达到比较高的值。这样一来，除了机械强度会发生
11、一定的改变，也会引起 很多问题，比如：材料的抗压性、抗塑性变形能力等都随之降低；高温蠕 变会发生，严重时还会有热点产生在某些小局域；如果局部的温度太大的 话，还会进一步导致活塞出现塑性变形、热裂和烧损等不可逆现象4。因为 在活塞顶这一地方出现的温度差是相对比较大的，使得活塞出现较大的热 应力，导致活塞可能会有疲劳裂缝。另外，在进行热状态分析时，对于第 一道环槽的温度分布也是十分需要分析判断的，一旦在温度场中第一道环 槽的温度过高，那么在这样的工作环境下活塞环非常有可能会因为环带处 出现的润滑汕失效而致使苏卡在环槽内，从而出现漏气和串汕的现象。总而言之，活塞工作的环境主要就是高温和高压，活塞在运
12、动中不断 地承受高温燃气的往复作用，不仅如此，还要承受往复惯性力等机械力的 作用。基于以上分析，本文试图模拟活塞的工作环境，在ANSYS中获得 温度场的分布之后，对活塞的热状态进行合理有效地分析，比对活塞的材 料属性判断合理性。我们从中可以直观地了解到活塞的温度分布情况，根 据它的温度分布对活塞的热负荷情况进行其体分析，这样也可以为活塞热 应力的分析提供基础性材料，观察判断活塞的热变形和热应力。1.2研究主要内容课题研宂的具体内容：(1) 根据活塞的实际尺寸，在三维制图软件UG中建立活塞的实体模 型，通过Iges文件格式导出模型数据，并将模型数据导入到ANSYS中， 由此能够在ANSYS软件中
13、获取有限元分析的实体模型，从而实现CAD和 CAE软件的结合。(2) 参阅资料和研宂成果，得到活塞热分析的理论依据。(3) 利用热力学理论以及相关的文献资料，采用估算的方法来获得发 动机内可燃气体对活塞各部分的对流系数以及平均燃气温度值。(4) 在ANSYS软件中进行活塞温度场的分析，通过温度场分布对活 塞热状态进行分析判断，也为活塞热应力分析提供依据。(5) 把活塞温度场的分析结果结合活塞的约束条件在ANSYS中进行 分析，得出活塞在此温度状态K的热应力情况。2 ANSYS软件介绍2.1 ANSYS软件简介ANSYS软件是由美国ANSYS公司开发的一套功能强大的有限元通用 分析程序，其站在了
14、世界有限元分析软件的前沿，作为通用商业软件， ANSYS软件具有三大优势，一是功能完备的前后处理器，二是强大的分析 计算能力，三是图形处理能力51。此外，在有限元分析中显示出的实用性、 先进性和快捷性，早己被全球工业界广泛接受。2.2 ANSYS软件的主要技术特点（1）拥有前处理器和后处理器，可以实现前后处理，并II还具冇多场 分析的功能。（2）拥有多物理场优化功能。（3）能够实现场及多场耦合分析。（4）自动网格划分技术多样化。（5）拥冇良好的用户开发环境。2.3 ANSYS进行有限元分析的主要步骤这里主要指静态分析的过程，由三个阶段组成:前处理、求解和后处理。（1）前处理模块前处理用于定义求
15、解所需的数据7。建立有限元模型对于求解分析非常 重要，运算的难易程度以及结果是否合理，都是与所建立的有限元模型息 息相关，因此，建立一个合理的模型往往是在分析过程中耗时最多的部分|8。 建立几何模型： 自顶向下与自底向上。用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱 柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高 级图元直接构造几何模型l6j。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，能减少相当可观的建模工作量。ANSYS还具有了拖拉、延伸、旋转、移动实体模型图元的功能。建立实体模型吋应该根据实际操作过程进行有限元模型的适当合理简 化，再根据设定好的网格标准对模型进行网格划分。(2) 求解模块有限元分析的主要目的是检奔结构对一定载荷的响应程度，因此，在 分析中需要给定合适的载荷条件，这一步是比较关键的:9。想要让仿真更贴 近实际情况，更好地反映实际结构的受力特征，就必须要通过合理的加载 来实现。同时，合适的求解方式也能够增加求解的精度并减少计算所花费 的时间。常规的处理过程如下： 进入ANSYS求解器； 定义分析类型和选项； 在模型上加载； 求解； 保存处理结果。(3) 后处理模块后处理就是从结果文件中提取选定数据，并利用图像和数据列表的方 式显示，以供用户进行分析和判断求解过程
