基于有限元分析的S195活塞的改進(jìn)設(shè)計(jì)

1、基于有限元方法的S195柴油機(jī)活塞設(shè)計(jì)摘要 本文針對(duì)將S195型柴油機(jī)的渦流室燃燒室改為直噴式燃燒室,對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。對(duì)改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了熱力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算，將計(jì)算所求得的最高爆發(fā)壓力和對(duì)應(yīng)的加速度所產(chǎn)生的慣性力作為活塞最危險(xiǎn)工作情況，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行機(jī)械應(yīng)力分析，得出活塞應(yīng)力云圖和變形云圖，根據(jù)分析結(jié)果，活塞的最大應(yīng)力和最大位移并沒有超出允許范圍,本設(shè)計(jì)滿足了改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工況。 關(guān)鍵詞 活塞；ANSYS；內(nèi)燃機(jī)The Design of Piston in S195 Diesel Engine Based on Finite Element Metho

2、dAbstract To satify the new condition of swirl chamber being changed into direct injection combustion chamber and improve the fuel economy , the structure of piston in S195 Diesel Engine was redesigned. The thermodynamic and power calculation were done .The combustion chanber and piston ring etc wer

3、e changed to adjust to the direct injection diesel engine. The maximum outbreak pressure obtained by calculation and the inertial force generated by the corresponding piston acceleration were recognized as the most dangerous working conditions, using ANSYS finite element analysis software for mechan

4、ical stress analysis , the piston stress and deformation cloud were obtained . According to the result of the analysis, the maximum stress and maximum displacement of the piston does not exceed the permissible range, the design can meet the actual engine operating conditions.Key words Piston ; ANSYS

5、 ; Internal Combustion Engine.目錄引言.11.直噴式S195柴油機(jī)熱力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算.11.1 熱力計(jì)算.21.1.1 原始參數(shù)及己知條件.21.1.2 選定參數(shù).31.1.3 氣缸工作過程計(jì)算.31.1.4 示功圖繪制.61.2 動(dòng)力計(jì)算.82 活塞主要尺寸設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算.112.1 活塞的工作條件、材料以及設(shè)計(jì)要求.112.2 主要尺寸設(shè)計(jì).122.2.1 燃燒室尺寸.122.2.2 頂岸高度.132.2.3 活塞環(huán).142.2.4 活塞頂厚度.152.2.5 裙部長度.152.2.6 銷座設(shè)計(jì).152.2.7 活塞強(qiáng)度計(jì)算.163. 活塞有限元分析.1831

6、 三維實(shí)體建模.1832 有限元網(wǎng)格劃分.1933 機(jī)械負(fù)荷分析.193.3.1 計(jì)算工況及載荷確定.193.3.2 載荷施加過程.203.3.3 有限元分析結(jié)果.23結(jié)束語 .26致謝.27參考文獻(xiàn).28引言柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所必需的動(dòng)力機(jī)械，涉及農(nóng)、林、牧、副、漁各部門及其產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后各作業(yè)環(huán)節(jié)。柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用中，固定式柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)各作業(yè)機(jī)械進(jìn)行作業(yè)，如用于發(fā)電、農(nóng)副產(chǎn)品加工等固定作業(yè)；移動(dòng)式柴油機(jī)構(gòu)成拖拉機(jī)或各種自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械帶動(dòng)作業(yè)機(jī)械或工作部件進(jìn)行作業(yè)，如用于耕整、播栽、中耕、噴霧、施肥、收獲等田間移動(dòng)作業(yè)，同時(shí)，還承擔(dān)著農(nóng)田基本建設(shè)中的挖掘、推

7、土、鏟運(yùn)、平整、開溝和農(nóng)用運(yùn)輸?shù)裙ぷ?。而S195型柴油機(jī)是廣大農(nóng)村中使用最廣泛的動(dòng)力機(jī)械，它的設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到廣大農(nóng)村用戶的切身利益。然而，目前國內(nèi)絕大部分農(nóng)用S195柴油機(jī)均采用熱效率較低、經(jīng)濟(jì)性較差的分隔式燃燒室，急待改進(jìn)。針對(duì)原S195柴油機(jī)分隔式燃燒室改為直噴式燃燒室的情況，本設(shè)計(jì)對(duì)原有活塞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以便更好滿足燃燒室改進(jìn)后柴油機(jī)對(duì)燃燒室形狀以及活塞工作條件的要求?；钊莾?nèi)燃機(jī)的重要零部件之一，其結(jié)構(gòu)和所處的工作環(huán)境十分復(fù)雜。在氣體壓力、往復(fù)慣性力等周期性載荷作用下，活塞產(chǎn)生很大的機(jī)械變形和機(jī)械應(yīng)力。在灼熱的燃?xì)庾饔孟?，還產(chǎn)生很大的熱變形和熱應(yīng)力。熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力迭加

8、可導(dǎo)致活塞破壞，而熱變形與機(jī)械變形迭加可導(dǎo)致拉缸。原S195柴油機(jī)分隔式燃燒室改為直噴式燃燒室后，活塞所承受的最高燃燒壓力和最高溫度將增大，這有可能使原來的活塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能與之相適應(yīng)，產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力可能導(dǎo)致活塞破壞，活塞的工作壽命縮短。因此對(duì)活塞進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。本課題在原有活塞結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上力圖進(jìn)行改進(jìn)。首先計(jì)算分隔式燃燒室改為直噴式燃燒室后的最高燃燒壓力，再建立活塞的三維模型，將模型導(dǎo)入分析軟件ANSYS后，分析其在最高燃燒壓力下的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及危險(xiǎn)部位，從而為活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化分析提供了充分的理論依據(jù)。1 直噴式S195柴油機(jī)熱力計(jì)算和動(dòng)力計(jì)算內(nèi)燃機(jī)工作過程計(jì)算是以理想的混合循環(huán)加

9、熱方式作為出發(fā)點(diǎn)，并假定其中的幾個(gè)過程的始終點(diǎn)是以活塞上下死點(diǎn)為準(zhǔn)，求出各特征點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)，然后繪制出示功圖并用整圓系數(shù)加以修正.計(jì)算應(yīng)用較簡單的關(guān)系式和利用一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來處理實(shí)際的復(fù)雜過程。實(shí)踐證明，只要各過程中的主要參數(shù)能積累有較多的實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)并選擇得當(dāng)，還是有一定的實(shí)用價(jià)值的。它還具有計(jì)算簡單及便于掌握應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。1柴油機(jī)工作過程估算在設(shè)計(jì)或研制一臺(tái)柴油機(jī)時(shí)起到以下幾個(gè)方面的作用：（1）通過估算可以初步了解與掌握各熱力參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，供柴油機(jī)在設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)進(jìn)行分析和調(diào)整試驗(yàn)時(shí)作參考。（2）柴油機(jī)動(dòng)力計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算均需用本估算獲得的示功圖作為基礎(chǔ)。（3）提供增壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如pk、G

10、k等或作為選配增壓器參數(shù)時(shí)的依據(jù)。1.1熱力計(jì)算1.1.1原始參數(shù)及己知條件(1) 沖程數(shù) Z=4(2) 氣缸直徑 D=0.095 m(3) 活塞行程 S=0.115 m(4) 額定功率 Ne=8.82 kW(5) 額定轉(zhuǎn)速 n=2000 r/min(6) 平均有效壓力 Pe=0.65Mp(7) 活塞平均速度 Cm=7.67 m/s(8) 大氣壓力 P0=0.101Mp(9) 大氣溫度 T0=293 k(10) 柴油低熱值 Hu=43995 kJ/kg1.1.2選定參數(shù)根據(jù)本機(jī)特點(diǎn)及柴油機(jī)一般參考資料選取參數(shù)如下：(1) 壓縮比 =17(2) 剩余廢氣系數(shù) r=0.06(3) 缸內(nèi)廢氣溫度 T

11、r=1000 k(4) 進(jìn)氣溫度 Ts=T0=293 k(5) 排氣溫度 Tt=600 k(6) 進(jìn)氣壓力 pT0=0.101 Mp(7) 空氣進(jìn)入氣缸后的溫升 ta=12 k(8) Z點(diǎn)熱利用率 z=0.75(9) b點(diǎn)熱利用系數(shù) b=0.03(10) 豐滿系數(shù) f=0.98(11) 有效油耗率 ge=0.248 kg/(kwh)(12) 進(jìn)氣管壓力 ps=0.101 Mp(13) 進(jìn)氣終點(diǎn)壓力 pa=0.0833 Mp(14) 最高爆發(fā)壓力 pz=7.84 Mp(15)平均多變膨脹指數(shù) n2=1.22其中剩余廢氣系數(shù)r的選取范圍：0.03-0.06， ta選取范圍為；10-12K， 豐滿系

12、數(shù)f選取范圍為；0.96-0.98，n2選取范圍為；1.22-1.29;通過調(diào)整這么參數(shù)的范圍，使最終得出的Ne與 pe與原始參數(shù)不超過1,這樣選定了以上參數(shù)。1.1.3氣缸工作過程計(jì)算 (1)充量系數(shù) (1)(2)過量空氣系數(shù) (2)(3)平均機(jī)械損失壓力 (3)(4)進(jìn)氣終點(diǎn)溫度 Ta (4)(5)壓縮終點(diǎn)壓力pc (5)(6)平均壓縮指數(shù)n1根據(jù)已求得的Ta和，查船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(三)中圖2得n1=1.366(7)壓縮終點(diǎn)溫度 Tc (6)(8)氣缸工作容積 Vh (7)(9)氣缸壓縮容積 Vc (8)(10)理論空氣量L0 (9)(11)實(shí)際空氣量 L (10)(12)

13、燃燒產(chǎn)物 M2 (11)(13)分子變更系數(shù) 0 (12)(14)燃燒前后實(shí)際分子變更系數(shù) (13)(15)壓縮終點(diǎn)定容摩爾比熱 Cv1m (14)(16)燃燒終點(diǎn)燃燒產(chǎn)物平均定容摩爾比熱 Cv2m (15)(17)壓力升高比 (16)(18)定壓燃燒終點(diǎn)溫度 Tz (17)(19)初膨脹比 (18)(20)定容燃燒終點(diǎn)氣缸容積 Vz (19)(21)后膨脹比 (20)(22)膨脹終點(diǎn)溫度Tb (21)(23)膨脹終點(diǎn)壓力 pb (22)(24)理論平均指示壓力 pi (23)(25)平均指示壓力 pi (24)(26)指示功率 Ni (25)(27)指示熱效率 i (26)(28)指示油耗率

14、 gi (27)(29)平均有效壓力 pe (28)(30)有效功率 Ne (29) 其中Z為氣缸數(shù)(31)有效熱效率 e (30)(32)有效油耗率 ge (31)1.1.4 示功圖繪制（1）壓縮線上任意點(diǎn)壓力： (32)（2）膨脹線上任意點(diǎn)壓力： (33)其中： (34) (35)根據(jù)以上公式及選定參數(shù)Pz可求出各曲軸轉(zhuǎn)角的氣缸壓力如下表：表1 工作過程氣體壓力氣缸壓力（Mp)曲軸轉(zhuǎn)角/()Pcx0.15-1000.23-800.41-600.89-402.26-203.38-10Pz7847Pbx6.62202.88401.44600.86800.59100 其中最高爆發(fā)壓力Pz一般出現(xiàn)

15、在上止點(diǎn)后7的位置。根據(jù)以上表格可畫出S195柴油機(jī)示功圖如下：圖1 S195柴油機(jī)示功圖1.2 動(dòng)力計(jì)算連桿長度 l=0.21m曲柄半徑 r=0.0575m曲柄半徑與連桿長度比曲軸旋轉(zhuǎn)角速度活塞平均速度 表2運(yùn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算曲軸轉(zhuǎn)角(deg)活塞位移x(mm)活塞速度v(m/s)活塞加速度a(m/s)00.00000.00003212.8344101.11092.65513132.8683204.38855.17862899.1576309.67157.44922529.62374016.70489.36462052.07265025.159010.84891501.34996034.6538

16、11.8571915.82987044.784712.3763333.63878055.149512.4237-210.95629065.371712.0428-690.587110075.119111.2960-1086.922811084.117010.2568-1391.678812092.15379.0016-1606.415513099.07967.6017-1741.1859140104.79996.1174-1812.2307150109.26434.5936-1839.0321續(xù)曲軸轉(zhuǎn)角(deg)活塞位移x(mm)活塞速度v(m/s)活塞加速度a(m/s)160112.4531

17、3.0592-1841.1112170114.36381.5274-1834.9828180115.00000.0000-1831.6536 圖2活塞位移曲線 圖3活塞速度曲線 圖4活塞加速度曲線柴油機(jī)最大爆發(fā)壓力發(fā)生在大約曲軸轉(zhuǎn)角7，此時(shí)活塞加速度為3173.49m/s2。2活塞主要尺寸設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算2.1活塞的工作條件、材料以及設(shè)計(jì)要求活塞是內(nèi)燃機(jī)的重要零部件之一，其結(jié)構(gòu)和所處的工作環(huán)境十分復(fù)雜。在氣體壓力、往復(fù)慣性力等周期性載荷作用下，活塞產(chǎn)生很大的機(jī)械變形和機(jī)械應(yīng)力。在灼熱的燃?xì)庾饔孟拢€產(chǎn)生很大的熱變形和熱應(yīng)力。熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力迭加可導(dǎo)致活塞破壞，而熱變形與機(jī)械變形迭加可導(dǎo)致拉缸，因

18、此對(duì)活塞的材料有非常特別的要求?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞多采用鋁合金作材料。其主要優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕且導(dǎo)熱性能好。活塞與活塞環(huán)相互摩擦，為使其工作性能達(dá)到最佳化，在選用原材料和工作面的涂覆材料方面，首先應(yīng)考慮兩者間的匹配性。如：活塞環(huán)端面進(jìn)行化學(xué)鈍化處理，則活塞應(yīng)選用AEB5型共晶鋁(5%的Cu含量)作材料，且對(duì)活塞環(huán)槽進(jìn)行磷化處理。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的不斷提高和活塞工作壽命的不斷延長，普通的鋁合金活塞難以滿足要求，許多性能更好的新材料應(yīng)用于活塞中。鋁基復(fù)合材料的性能已達(dá)到使用的最好材料Ni-resist，鑄鐵的水平，而制成活塞和活塞環(huán)后質(zhì)量大大減輕，與普通鋁合金材料相比其高溫強(qiáng)度和抗熱疲勞性能明顯提高，并具有

19、較低的線膨脹系數(shù)。可提高活塞使用壽命，降低油耗和廢氣排放量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。日本豐田汽車公司的發(fā)動(dòng)機(jī)已廣泛采用這種材料，美國公司還研制出用以制作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的發(fā)泡石墨。這種材料具有比鋁高4倍，比銅高5倍的傳熱系數(shù)，以及相對(duì)密度低、質(zhì)量輕、制取成本不高等特點(diǎn)，既可減小質(zhì)量40%(與金屑制材相比)，又可散熱制冷，可有效地增加發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，改進(jìn)工作效率。本文所要分析的活塞的材料為ZL109共晶硅鋁合金，在常溫下，彈性模量為E=7.1 1010 Pa，泊松比=0.31，密度=2 700 kg/m3，材料的許用應(yīng)力為b=260 M Pa;200時(shí)材料許用應(yīng)力b=196 MPa，材料線膨脹系數(shù)=19.

20、8010-6/，導(dǎo)熱系數(shù)=152W/(m)。2活塞組設(shè)計(jì)的要求:（1）重量輕且有足夠的剛度各強(qiáng)度；（2）避免燃?xì)馔ㄟ^活塞環(huán)竄入曲軸箱，并盡可能減少摩擦損失；（3）減少活塞頂從燃?xì)馕諢崃?，并組織良好的冷卻，將活塞所吸收的熱量迅速地傳出；（4）保證活塞組與氣缸套之間有良好的潤滑，但又要降低滑油耗量；（5）環(huán)與環(huán)槽、活塞銷民軸承具有良好的耐磨性；（6）正確選擇活塞與氣缸套的配合間隙可防止活塞在上、下死點(diǎn)附近由于側(cè)壓力改變方向而產(chǎn)生活塞對(duì)缸套的撞擊，從而也減小噪聲和氣缸套的穴蝕；（7）易于制造、成本低。32.2主要尺寸設(shè)計(jì) 圖5燃燒室尺寸2.2.1燃燒室尺寸針對(duì)原S195柴油機(jī)分隔式燃燒室改為直噴式

21、燃燒室的情況，將燃燒室形狀改為能適應(yīng)噴油形狀的形燃燒室。根據(jù)喉口側(cè)面角可將燃燒室分成開口型（90）、直口型（=90）及收口型（90）三種。收口型，dh較小，喉口熱負(fù)荷高，為防止喉口開裂及便于制造，取=90。燃燒室主要結(jié)構(gòu)尺寸是喉口直徑dk及深度h，dk與h基本上決定了燃燒室的容積Vk。對(duì)性能影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)是相對(duì)容積比Vk/Vc（Vc為壓縮容積）及喉口直徑與氣缸直徑之比dk/D。Vk/Vc要盡可能大，一般Vk/Vc=0.750.85。因?yàn)橹苯訃娚涫桨l(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣形成和燃燒主要在燃燒室內(nèi)進(jìn)行，而在余隙容積V（包括活塞頂間隙容積、氣門凹坑、第一道活塞環(huán)上的狹縫容積等）中的氣體不能有效利用，所以應(yīng)

22、盡量減少余隙容積，使空氣盡可能集中在燃燒室內(nèi)，以改善空氣利用率。而且Vk/Vc增加，使燃燒室的相對(duì)散熱面積減小，擠流加強(qiáng)，有利于混合氣形成和燃燒。4dk/D一般在0.450.65范圍內(nèi)，取0.65，即：dk=0.65D=62mmdk/h一般在2.53.5范圍內(nèi)，取3.5，即：h=dk/3.5=18mm在PRO/E中算出的燃燒室的體積Vk為42857mm3，而壓縮體積為Vc為： (36)可得： (37)2.2.2頂岸高度頂岸高度即第一道活塞環(huán)槽到活塞頂?shù)木嚯x，h越小第一道環(huán)本身的熱負(fù)荷也越高，在保證第一道活塞環(huán)的工作溫度不超過允許極限（約180-220）的情況下，盡量縮小h以力求降低活塞高度和重

23、量。高速柴油機(jī)鋁活塞h/D的范圍一般為0.140.20，取h/D=0.147，即h=0.147D=14mm。2.2.3 活塞環(huán) （1）活塞環(huán)數(shù) 對(duì)于高速機(jī)，氣環(huán)一般為23環(huán)，油環(huán)一般為12環(huán)；為了降低活塞高度，減少活塞質(zhì)量，將裙部的油環(huán)去掉，采用三道氣環(huán)，一道油環(huán)結(jié)構(gòu)。 （2）活塞環(huán)的選取 第一道氣環(huán)采用氣密性、磨合性能較好的桶面環(huán)，第二、三道環(huán)采用錐面反扭曲環(huán)，其接觸線改變?cè)诃h(huán)的下棱緣，刮油效果好，能有效控制機(jī)油。油環(huán)采用鋼片組合油環(huán)，它具有刮油性能好，機(jī)油消耗量少，回油通路面積大、不易積炭、工作平穩(wěn)、磨合性能好、缸套壽命長等優(yōu)點(diǎn)。用一道鋼片組合油環(huán)可替代二道開槽油環(huán)。（3）環(huán)岸高度第一環(huán)岸

24、（第一道氣環(huán)下面的環(huán)岸）溫度較高，承受的氣體壓力最大，又容易受環(huán)的沖擊而斷裂。所以第一環(huán)岸高度一般比其余環(huán)岸大一些。h1可按以下公式確定： (38) 式中：Z 環(huán)槽深度（mm） 許用應(yīng)力（kgf/cm2）表3 環(huán)岸高度類別環(huán)岸高度與缸徑之比第一環(huán)岸h1/D其余環(huán)岸h2(h3)/D鋁活塞高速機(jī)高速大功率鋼頂組合活塞0.040.080.040.060.0250.0350.030.0450.030.040.020.03 其余環(huán)岸取h2/D=h3/D=0.0368mm，即：h2=h3=0.0368D=3.5mm2.2.4活塞頂厚度 是根據(jù)活塞頂部應(yīng)力、剛度及散熱要求決定的，熱應(yīng)力隨活塞頂高度增加而增大

25、，活塞頂厚度只要厚到能承受燃?xì)鈮毫纯?。其大小可按下列公式估算?(39) 式中； B 考慮燃燒室形狀影響的系數(shù)，對(duì)平頂活塞B=1.4，對(duì)深坑形燃燒室活塞 B=1；2.2.5裙部長度高速柴油機(jī)的H2/D一般范圍為0.650.88，暫取0.65，即 ：H2=0.65D=71.5mm上、下裙長應(yīng)有恰當(dāng)?shù)谋壤先归L度H4過小，易產(chǎn)生尖峰負(fù)荷造成活塞拉毛及擦傷。一般的比例為H3=(0.60.75)H2，暫取0.7，即：H3=0.7H2=50mm 2.2.6銷座設(shè)計(jì) 圖6活塞銷座尺寸選用鋼性銷座,銷座內(nèi)孔直徑d =35mm, 銷座長度lp=22mm(1)銷座外徑db=1.41.6d,取1.4,即db=

26、1.4d=50mm。(2)銷座間隔b 銷座間隔一般從下表先取表4銷座間隔銷座形式b/D普通銷座035045階梯銷座b1/Db2/D0.250.350.350.55本設(shè)計(jì)的活塞的銷座為普通銷座, 選b/D=0.38, 即b =0.38D=36mm2.2.7活塞強(qiáng)度計(jì)算表5 活塞強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果(kgf/cm2)許用值(kgf/cm2)活塞頂機(jī)械應(yīng)力u104.5500第一環(huán)岸 彎曲應(yīng)力w 剪切應(yīng)力 總應(yīng)力 237.36452620300400續(xù)計(jì)算項(xiàng)目計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果(kgf/cm2)許用值(kgf/cm2)裙部比壓q15.358符號(hào)說明pz 最高爆發(fā)壓力D1 活塞頭部內(nèi)徑 活塞頂

27、厚度D 缸徑h1 第一環(huán)岸高度H2 裙部長度Pz 最高燃?xì)庾饔昧 活塞銷直徑 銷座的工作長度3.活塞有限元分析 有限元法在科技和工程領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，這種數(shù)值方法的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域必將被進(jìn)一步拓寬。由于有限元法的通用性和有效性，使其在工程技術(shù)界受到高度重視，也讓許多高等工科院校把它列為本科生和研究生的學(xué)位課或必修課。工程實(shí)踐中的許多問題用單純的數(shù)學(xué)理論是無法解決的，實(shí)際中普遍存在的形狀復(fù)雜，邊界條件及載荷條件也復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問題，單純使用經(jīng)典力學(xué)知識(shí)而不利用有限元法，計(jì)算分析起來會(huì)有困難。其次，在工程技術(shù)領(lǐng)域中有許多已知控制方程和邊界條件的力學(xué)問題或場問題

28、，無法用我們所學(xué)知識(shí)求得解析的精確解。不過實(shí)際上發(fā)現(xiàn)許多問題無需非得知道解析的精確解，只需求出近似的數(shù)值解就可以了，而我們可以保留問題的復(fù)雜性，利用數(shù)值計(jì)算方法求得問題的近似數(shù)值解。隨著電子計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們已逐步傾向于采用數(shù)值方法求解復(fù)雜的工程實(shí)際問題，而有限元法就是一種十分有效的數(shù)值方法。ANSYS軟件是一個(gè)非常成功的通用有限元分析軟件，它融合了結(jié)構(gòu)流體、電場、磁場、聲場、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域及靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及邊界耦合問題分析于一體，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件（如Pro/ENGINEER、NUSTRAN、I-DEAS、AutoC

29、AD）及機(jī)械仿真軟件（如ADAMS）接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。 5 31三維實(shí)體建模 柴油機(jī)活塞是一個(gè)復(fù)雜的三維零件，由于活塞銷座的存在和內(nèi)腔形狀復(fù)雜，為了真實(shí)、客觀地反映出活塞的實(shí)際工作狀況，在對(duì)其進(jìn)行有限元分析時(shí)，應(yīng)取活塞整體作為三維有限元的分析模型。因此，用ProE軟件建立活塞的三維實(shí)體模型。32有限元網(wǎng)格劃分為了獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)合理選擇有限元網(wǎng)格劃分方案，這樣既能保證計(jì)算精度，又不會(huì)耗時(shí)過多。一般來講，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，計(jì)算精度就越高。6隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在一定的計(jì)算時(shí)間內(nèi)，計(jì)算機(jī)處理的單元數(shù)大大增加了，對(duì)于活塞這樣形狀復(fù)雜和溫度變化劇烈

30、的受熱條件，完全可以把單元?jiǎng)澋镁?xì)一些。本文采用20節(jié)點(diǎn)4面體單元solid95劃分活塞網(wǎng)格，由于活塞形狀復(fù)雜，因此采用自由網(wǎng)格劃分設(shè)置smart size值為7，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。圖7 活塞的網(wǎng)格劃分3.3機(jī)械負(fù)荷分析3.3.1計(jì)算工況及載荷確定選取最大爆發(fā)壓力工況作為計(jì)算工況，該工況曲軸轉(zhuǎn)角大致在7附近7，連桿傳給活塞的力只偏離y軸2，因此將只考慮y方向力的作用，即最大爆發(fā)壓力、活塞往復(fù)慣性力和活塞銷座分布力的作用。（1) 活塞頂所受的氣體壓力，其數(shù)值等于活塞的上部的燃?xì)鈮毫χ禍p去曲軸箱內(nèi)的氣體壓力.當(dāng)采用簡化受力分析時(shí)，活塞受到的環(huán)岸處的氣體的壓力由于對(duì)稱的要求可以忽略掉，其余的活

31、塞部分受到的氣體的壓力時(shí)十分小，也可以忽略不計(jì).因此活塞所受的力可以簡化為頂部及火力岸的氣體壓力.（2)由于動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)做功時(shí)活塞會(huì)有加速度產(chǎn)生，活塞質(zhì)量的存在必然會(huì)引起活塞整體的往復(fù)慣性力，慣性力以活塞加速度的形式施加在整個(gè)模型上，活塞運(yùn)動(dòng)加速度在動(dòng)力計(jì)算時(shí)已求得，為a=3173.49m/s2。（3) 活塞銷處的受力為分布力，此分布力的大小為活塞頂部氣體的壓力與活塞的往復(fù)慣性力的差值，由于前面的兩個(gè)力已經(jīng)加載到有限元模型上，因此只要約束銷座內(nèi)孔上表面徑向位移。 由于要選擇的面是為兩曲面的各一部分，無法直接加載，因此將約束加在對(duì)應(yīng)面位置的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。（4）為了防止活塞分析過程中發(fā)生繞

32、活塞銷座軸線的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，限制活塞軸線y上任一節(jié)點(diǎn)的x、z方向位移。3.3.2載荷施加過程（1）協(xié)調(diào)單位的轉(zhuǎn)化 對(duì)于結(jié)構(gòu)分析，這里的基本物理量有三個(gè)：長度、質(zhì)量和時(shí)間，對(duì)于熱問題，還應(yīng)該加上溫度，其他類型問題可能還有相應(yīng)的基本物理量；其余物理量的單位必須由這些基本物理量的單位導(dǎo)出，而不能人為規(guī)定。基本物理學(xué)量的單位可以自由選擇，其他物理量的單位則不能自由選擇，需要按相應(yīng)的計(jì)算公式來導(dǎo)出。8由于建模時(shí)采用的是mm的長度單位，所以將模型導(dǎo)入ANSYS后，采用kg-mm-s的協(xié)調(diào)單位制，與計(jì)算有關(guān)的物理量單位如下： 密度：kg/mm3,加速度a；mm/s2,力f：mN,壓強(qiáng)p、應(yīng)力和彈性模量E均為：K

33、pa。（2）慣性力的加載慣性力通常以加速度的形式加載，具體過程如下：MainMenu solution - define load apply structural inertia gravity global 出現(xiàn) apply(gravitational) acceleration對(duì)話框，在global Cartesian Y-comp 右邊的方框中輸入加速度值 -3.17e6。（e6表示106）（3）銷座內(nèi)孔上表面約束的施加過程1）建立局部坐標(biāo)系按以下菜單點(diǎn)擊： Workplane local coordinate systems create local csspecified loc

34、+ ，出現(xiàn) create cs at location 對(duì)話框，輸入銷座軸線y坐標(biāo)0，90，0 點(diǎn)擊OK，進(jìn)入create local cs at specified location 在type of coordinate system后選擇cylindrical 1,即柱坐標(biāo)系，rotation about lacal y中輸入90 ，點(diǎn)擊OK，建立了位于銷座軸線處的柱坐標(biāo)系。2）相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的選擇按下列菜單激活局部坐標(biāo)系：workplane change active cs to specified coord彈出change active cs to specified cs 對(duì)話框，在c

35、oordinate system number 中輸入局部坐標(biāo)系號(hào)11；點(diǎn)擊select entities 彈出select entites對(duì)話框，在第一個(gè)框中選擇areas,第二個(gè)框中選擇 by location,X coordinates在Min,Max框中輸入17.5接下來選擇from full,點(diǎn)擊apply后再點(diǎn)擊plot，繪圖框?qū)@示相應(yīng)的四個(gè)面；在select entities對(duì)話框中依次選擇nodes 、attached to 、areas,all 、from full 點(diǎn)擊apply和plot，此時(shí)繪圖框中將顯示相應(yīng)面上的節(jié)點(diǎn)；在select entities 對(duì)話框中順序選

36、擇 nodes 、by location 、Y coordinates 在min,max方框中輸入0，50 ，接下來選擇unselect 最后單擊apply 和plot,此時(shí)只顯示銷座內(nèi)孔上表面上的所有節(jié)點(diǎn)；點(diǎn)擊mainmenu preprocessor modeling move/modify rotate node cs to active cs 彈出rotate nodes into cs 對(duì)話框，選擇pick all,這樣就將所有節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)向當(dāng)前坐標(biāo)系。3）銷座內(nèi)孔上表面約束點(diǎn)擊 mainmenu solution define loads apply structural-

37、displacement on nodes 出現(xiàn)apply U,ROT on nodes 對(duì)話框，點(diǎn)pick all,在出現(xiàn)的對(duì)話框中的DOFs to be constrained 中選擇ux,點(diǎn)擊OK，這樣就限制了銷座內(nèi)孔上表面上的所有節(jié) 點(diǎn)的徑向位移。（4）燃?xì)庾罡弑l(fā)壓力的施加對(duì)于比較復(fù)雜的圖形，在ANSYS中比較難選中預(yù)選的面，因此需要先選中預(yù)選面所在的大致區(qū)域，然后再選擇預(yù)選的面。最后在面上施加表面壓力。具體過程如下：Select select everythingSelect entities 在彈出的對(duì)話框中依次選擇areas、 by location 、Y coordinate

38、s 在Min,Max中輸入90，110，點(diǎn)擊apply 和plot,然后在select entities對(duì)話框中選擇依次選擇 areas by num/picked from full 點(diǎn)擊OK，然后用鼠標(biāo)選擇預(yù)選面。點(diǎn)擊 mainmenu solution define loads apply -structuralpressure on areas,在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)pick all,在彈出的apply PRES on areas 對(duì)話框中的load PRES value框中輸入壓力值7.84e3,這樣就完成了最大爆發(fā)壓力的加載。圖8 活塞的載荷施加情況（5）軸線上一節(jié)點(diǎn)的約束為了避免在分

39、析過程中活塞產(chǎn)生剛體擺動(dòng)，限制軸線上一節(jié)點(diǎn)垂直活塞銷孔子軸線的運(yùn)動(dòng)，具體過程如下：Select enitities 在彈出的對(duì)話框中依次選擇nodes by location X coordinates 在Min,Max中輸入0,點(diǎn)擊apply,plot,在select entities 對(duì)話框中再依次選擇nodes by num/pick from full 點(diǎn)擊OK,彈出select nodes 對(duì)話框后用鼠標(biāo)選擇活塞軸線上任一點(diǎn),點(diǎn)OK, 點(diǎn)擊 mainmenu solution define loads apply structural force/moment on nodes,在彈

40、出的對(duì)話框中點(diǎn)pick all,又彈出一個(gè)對(duì)話框,在direction of force/mom 選擇FX,點(diǎn)擊OK,這樣就完成了此步操作。加載后載荷如圖8所示 333有限元分析結(jié)果活塞工作時(shí)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(diǎn)是都沿著活塞的軸線方向作用，所以活塞的軸線方向承受著極大的載荷。由圖9可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在活塞銷座上表面，這與理論分析相符。由于活塞在上止點(diǎn)附近向下運(yùn)動(dòng)時(shí)活塞銷會(huì)發(fā)生彎曲變形，使活塞銷座也出現(xiàn)變形，而銷座上表面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。在活塞銷座處的最大應(yīng)力為97MPa左右,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未超過活塞材料在200時(shí)

41、的最大許用應(yīng)力196MPa，而活塞的其他部位應(yīng)力值都在30MPa以下。圖9活塞應(yīng)力分布另外,活塞加強(qiáng)筋與活塞的頂部相連的部位也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況如圖10,但其應(yīng)力值同樣小于活塞材料的許用的應(yīng)力值260MPa。氣體燃燒壓力和往復(fù)慣性力引起的活塞變形是不均勻的。在活塞銷穿過的一側(cè)，由于銷座的剛性較大，加上活塞銷的約束作用使活塞裙部的變形較小。而無活塞銷的另一側(cè)，裙壁較薄，又無軸向約束，則使裙部的變形較大。因此，活塞兩側(cè)的軸向位移相差0.09mm，如圖11所示，圖中網(wǎng)格線代表變形前的活塞位置。圖10 加強(qiáng)筋處的應(yīng)力集中由圖12可見，活塞頂面呈彎曲變形，靠頂面下塌一側(cè)的活塞環(huán)槽壁向外擠壓,而靠頂面拱

42、起一側(cè)的活塞環(huán)槽壁向內(nèi)擠壓.從而形成活塞頭部與裙部之間的周向間隙和接觸力分布不均勻,活塞最大變形量為0.036mm。未超過允許配缸間隙0.060.10mm9圖11 活塞變形圖圖12活塞變形剖面圖結(jié)束語 本文針對(duì)S195柴油機(jī)渦流室燃燒室改為直噴式燃燒室,對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn),通過有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析,得出了活塞在最危險(xiǎn)工作條件下的應(yīng)力分布與變形情況,結(jié)果表明活塞銷座內(nèi)孔的上表面是活塞的應(yīng)力較集中的地方,容易產(chǎn)生疲勞破壞導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生,同時(shí)活塞加強(qiáng)筋處也是應(yīng)力較為集中的地方,活塞的最大位移和最大應(yīng)力均未超出允許值，本設(shè)計(jì)可以適應(yīng)S195柴油機(jī)直噴化改造后的實(shí)際工況。致謝本課題在選題及

43、研究過程中得到鄭老師的悉心指導(dǎo)。鄭老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。本論文從選題到完成，每一步都是在鄭老師的指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x！參考文獻(xiàn)1船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(三).國防工業(yè)出版社,19792黃震，張繼春，徐斌，李興虎.基于有限元的活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)分析.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào),第31卷第3期,2006年6月3柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,19844周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社,20055張洪信,趙清海等.ANSYS有限元分析完全完全自學(xué)手冊(cè)

44、.機(jī)械工業(yè)出版社,20086施培文,杜愛民.發(fā)動(dòng)機(jī)活塞熱分析.內(nèi)燃機(jī)第3期,2006年6月7陳永東,鐘紹華.內(nèi)燃機(jī)活塞的有限元分析.輕型汽車技術(shù),2006年11月8張樂樂,譚南林,焦風(fēng)川.ANSYS輔助分析應(yīng)用基礎(chǔ)教程.清華大學(xué)出版社,北京交通大學(xué)出版社,20069柯開波.談?wù)劙l(fā)動(dòng)機(jī)的配缸間隙.內(nèi)燃機(jī),1998年第一期10 N.A.Ivashchenko,R.A.Nasyrov and A.V.Timokhin . EVALUATION OF THE THERMAL AND STRESS-STRAIN STATE OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE PISTON BY THE FINITE-ELEMENT METHOD .Problemy Prochnosti ,No.2,m pp.62-67, February , 1980.11 WT.Evans and G.C.Premier . Holographic Analysis of the Deformation of a Diesel Engine Piston. Experimental Mechanics457 ,198912 張宗杰.內(nèi)燃機(jī)課程設(shè)計(jì)指南.華中理工大學(xué)出版社,199513船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(五).國防工業(yè)出版社,1979