1、海 南 大 学毕 业 论 文（设计）题 目： 基于 ANSYS 的活塞应力分析 基于 ANSYS 的活塞应力分析I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。同时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，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
2、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。本文在三维制图软件 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；热负荷；有限元；温度场；应力；基于 ANSYS 的活塞应力分析IIAbstractThe piston is one of the
3、 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 complicated.In working condition,periodic load,such as high gas-pressure,th
4、rust misalignment and friction force load on the piston.The burn of high-pressure gas produced high temperature makes piston top and whole temperature of piston very high,and the temperature distribution is asymmetry,causing the piston to produce heat stress and heat distortion.Heat load make piston
5、 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 model and convert into Iges format. And the
6、n import to finite element software of ANSYS.It calculated the heat boundary and determined the setting of the lotus boundary condition and constraint.Besides,it got the result of stress and distortion under the function of heat load.Keypoint:Diesel Piston;Thermal load;FEM;Temperature Field;Stress目录
7、基于 ANSYS 的活塞应力分析III1 绪 论 .11.1 活塞有限元法研究的背景和研究意义 .11.2 研究主要内容 .22 ANSYS 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 热分析的基本理论 .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 .94.2 实体建模 .104.3 活塞有限元建模 .114.4 单元类型的选取 .114.5
8、 活塞的网格划分 .124.6 活塞热对流边界条件 .134.6.1 燃气对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 .165 活塞的热应力分析 .186 结论和展望 .206.1 结论 .216.2 工作展望 .21致 谢 .22基于 ANSYS 的活塞应力分析IV参 考 文 献 .23基于 ANSYS 的活塞应力分析11 绪 论 1.1 活塞有限元法研究的背景和研究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
9、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
10、。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究的部分，在发动机不断地进行循环往复工作过程中，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
11、，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究是多么重要。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一定的改变，也会引基于 ANSYS 的活塞应力分析2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
12、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油失效而致使其卡在环槽内，从而出现漏气和串油的现象。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具体分析，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
13、要内容课题研究的具体内容：（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）参阅资料和研究成果，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
14、在 ANSYS 中进行基于 ANSYS 的活塞应力分析3分析，得出活塞在此温度状态下的热应力情况。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 5。此外，在有限元分析中显示出的实用性、先进性和快捷性，早已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，并且还具有多场分析的功能。（2）拥有多物理场优化功
15、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）拥有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。用户利用这些高基于 ANSYS 的活塞应力分析4级图元直接构
16、造几何模型 6。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 6。建立实体模型时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查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
17、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 10。求解过程的计算结果可以通过用户界面来获得，并对这些结果进行计算。3 活塞热分析理论由于温度差广泛地存在于自然界和各个技术领域当中，所以说热量传递是一种非常常见的现象。热分析所遵循的就是热力学第一定律，即守恒定律。能量守恒定律可表达为：PKEUWQ（2.1 ）基于 ANSYS 的活塞应力分析5公式中： 代表功， 代表热量， 是系统的内能， 系统动能，WQUKE系统势能。pE3.1 热分析的基本理论稳态热负荷指的是活塞温度场保持不变，经过活塞顶部流入活塞
18、内部的燃气的热量完全等于各部分传递出来的热量。活塞内部的热量传递完全遵循傅里叶定律，而且该部分热量的多少完全取决于活塞头部与高温燃气之间的对流换热。因此，本文对活塞进行的热分析实际上就是一个对稳态热问题的分析计判断。3.2 温度场所谓温度场，是指在某一瞬时，物体内各点温度的分布情况。物体内部产生导热的起因来自于物体的各部分之间存在温度差，因此在研究导热问题时一定会涉及到物体的温度分布 11。在一般情况下，温度是空间坐标 和时间 的函数，即：),(zyx)(),(zyxft（2.2）在理论上，我们将各点温度随时间 而改变的温度场称为非稳态温度场，其中稳态温度场的表达式对于时间的导数为 0，即：),(zyxft（2.3）在对于柴油机活塞部件的热负荷研究中，首要的就是确定其温度场的分布。3.3 傅里叶定律导热基本定律傅里叶在归纳总结大量实验研究结果的基础上，提出了导热的基本定
