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1、目录1概述22 CATIA建模过程33 ANSYS分析过程 104结果分析145参考文献15#1. 概述1.16125柴油机活塞基本条件：缸径D=125mm6缸。活塞是发动机的重要部件之一，与连杆构成发动机的 心脏，活塞通过运动将燃气压力传递给连杆再至曲轴输出，工作时受力非常复杂。随着发动机向高速度、低能耗方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。目 前车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷材料等。铝合 金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动惯性，因此铝合金活塞常用 于中、小缸径的中、高速发动机上。与铸铁活塞相比，铝合金活塞导热性好，工 作表面温度低，顶部的积碳也较少。活
2、塞由活塞顶、头部、群部构成。活塞顶的形状分为平顶、凸顶、凹顶。平 顶活塞结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀、多用在汽油机上； 凸顶活塞顶部突起成球状、顶部强度高、起导向作用、有利于改善换气过程。凹 顶活塞可改变可燃混合气的形成和燃烧，还可以调节压缩比。活塞工作时温度很高，顶部可达 600 700K且温度分布很不均匀；活塞顶 部承受的气体压力很大，特别是作功行程压力最大，柴油机活塞顶燃烧最高压力 59Mpa这就使活塞产生冲击和侧压力的作用；根据活塞实际最大爆发压力工 况添加边界条件，选用压力为 5MPa便于做有限元分析，此方案采用 w顶活塞，用于六缸发动机#2.设计的初步准备:1 选
3、好各个值的长度2了解6125柴油机发动机3 学会catia软件建模4. 学会ansys软件进行对模型的温度场分析5. 了解发动机活塞的性能，并能做出正确分析2. 活塞主要结构尺寸计算:2.1选定各个比例系数:D=125mmH:(0.81.3)*D取150H1:(0.50.8)*D取80H2:(0.40.8)*D取100h1：(0.10.2)*D取15h4:(0.60.7)* H2取70d:(0.30.38)*D取40C仁(0.040.08)*D取5其他环岸:(0.025 0.045)*D取5B:(0.350.42)*D取44(0.30.4)* H 2取30h3：2.3 设定其他参数:顶部厚度:
4、15mm活塞度:16mm3. 活塞三维建模：xy作平面1.首先打开catia软件，点击机械设计草图绘制器进入进行绘制图3.1如图3 .1绘制之后，退出草图工作平面2.然后点击回转体按钮，绕y方向短轴旋转360,如图3-2,所示#限制第二甬复乾廓/曲面回厚館廊反转方向取活选接：I童圏1图3-2:|Odeg*第一角度4. 选择xy平面绘制如下图形#图3-35退出草图选择凸台对其进行拉伸，拉伸厚度为 48mm 如下图#限制限鸳一限制二图3-46对上述4中的图形进行凹槽，凹槽深度为22mm轮酚曲面澎；1草图左 J5反转方向#Elf走文芻一限乱M11制厚薩章走医 反诘方向J降：SS5图3-57再点击xy
5、平面绘制圆，其半径为20如下图8退出草图对其进行凹槽，凹槽深度为70如图#EE09 灭 翌B豐Mr 規料及 沐 云 删 弋 理 迤 64ANASYS分析.1. 将CATIA中的模型导入ANSYS2. 单位换算：ANSYA Main Menu Preprocessor -Modeling f Operate f Scale Volumes 选择实体，在 RX,RY,RZ Scale factor 分别中输入，0.001,0.001,0.0013. 单元类型设置Mai n Menu Preprocessor Eleme nt Type Add/Edit/DeleteAdd Solid Tet 10
6、node 874. 划分网格Main Menu Preprocessor Meshing Mesht打开 Meshtool 对话框,勾选Smart Size,设定为6,点击“ Mesh按钮，选择活塞模型进行自由网格划分，如图4-1图4-15. 材料属性活塞材料及其属性：铝合金，弹性模量为70e9,泊松比为0.3#MainMenu Preprocessor MeterialProps Material#Models Thermal Con ductivity Isotropic KXX=160Props MaterialMainMenu Preprocessor MeterialModels F
7、avorate Isotropic EX=70e9PRXY=0.36. 定义求解类型：设定分析类型为Main Menu Solution AnalysisType New Analysis ,Steady-State7. 施加载荷：Conven ti on OnMain Menu Solutio n Defin eLoadsApply ThermalAreas,分别对活塞的各个表面施加的参数如下表4-2活塞环区hl=150h2=500h3=400Tl=150T2=150T3=150h4=2500T4=150内腔h7=450h8=400h9=350T7130T8=120T9=120M3=70Q1
8、3=血:h 14= 1000 h!5=1000 h!6 = 500T16110hl0=400T10=120h5=450h6=350T5 = 130T6=130hll=150 hl2=150Tll=150 T12=130活塞销孔热境活塞顶部T14110 715110 hl7=400T17=110二h!8474.58T18= 1369191#表4-2各部分如下图所示#活塞热边界侵应划分示意图输入各项数据后，得到如下图所示的模型，如图4-3图4-38 .变形将得到的模型进行变形后得到结果如图4-4NODESANCOSJV-HCOE29 201210:36:07#FjJLe;.*f15072.2221
9、194-41716.672233.89411,111933.3331455.561977.782500Pactl图4-49.求解Main Menu f Solution f Solve f Current LS10.显示结果General Postproc f Plot Results f Co ntour Plot f Nodal Temperature点击OK得到结果如图4-5f Nodal Soluf DOF Solution#135.8&4.ST.EP-L SITB =L T.IL=L TEWsra -iMjasHi.she -4e.ug-i17*-03料2/貽AN.jm? 2fi讼.
10、3i#图4-5五.结论及结果分析由温度场可以看出，活塞顶部与燃气接触的表面最高温度约为377C，位于活塞顶部中心处，因此活塞的最高温度在活塞顶面位置， 这要求活塞有较大的导热 截面以防止大的热应力和烧蚀发生。从总体上考虑，活塞的火力岸区域是受热最为严重的地方， 所以要充分的考虑 活塞的材质，提高活塞的抗热性，以防活塞顶部发生热变形。活塞环槽上下面及内侧面的温度差为 2030C，温度梯度相对较大，加上此处 的尖角多，又是活塞散热的重要途径，所以应特别考虑此处的结构。特别是第一 环槽的温度差很大，应予以充分的重视活塞的轴向温度大约在235C，所以在设计活塞的时候，要考虑活塞在受热时 产生的轴向的热
11、变形在外侧面，沿轴向从上到下，温度由高到低，第一环槽处温度为380C左右，活塞销座处最高温度大约为250C,内腔面最高温度大约为300C .从分析结果来 看，活塞顶部的温度稍高，特别是第一环槽部分的温度过高， 活塞顶部形成热积 累。活塞环区的温度对于发动机的可靠性是极为重要的，环区温度过高，将使润滑油变质甚至碳化，造成活塞环粘结，失去活动性，使环槽迅速磨损，变形，严 重时将造成发动机气缸套擦伤，甚至拉缸。经过对活塞的温度场分析，该活塞顶 部热负荷偏大，因此有必要对活塞进行优化设计，以改善活塞本体的传热性能并 优化活塞的结构六.参考文献1 丁仁亮.CATIA V5基础教程MD .北京：机械工业出版社，2006.102 张乐乐.ANSYS辅助分析应用基础教程上机指导M .北京：清华大学出 版社；北京交通大学出版社，2007.123 蔡春源.机械零件设计手册M .第三版.北京：冶金工业出版社，19944 胡海龙.CATIA V5零件设计实例教程.M.北京：清华大学出版社，2007.9#
