柴油机改二甲醚发动机后活塞热强度校核 ——毕业设计

毕业设计说明书题目2100T二甲醚发动机的活塞设计学院直属系交通与汽车工程学院年级、专业2009级热能与动力工程（汽车发动机1班姓名何文潇学号312009070301247指导教师完成时间2013年6月2日0西华大学毕业设计说明书目录摘要3ABSTRACT31绪论411车用新型燃料概述412二甲醚作为代用燃料的优势513本课题选题意义及目的914设计的主要内容及工作92发动机工作过程计算1121本课题2100T二甲醚发动机原始参数1122二甲醚发动机工作过程计算113活塞组设计1431活塞材料选择1432活塞结构设计15321活塞头部设计15322活塞裙部设计16323活塞与气缸配合间隙1733活塞环的设计17331气环的设计17332油环的设计1934活塞销的设计194活塞热分析2041活塞热负荷概述2042有限元模型的建立20421活塞主要参数20422三维几何模型的建立2143活塞温度场边界条件2244活塞温度场有限元分析231西华大学毕业设计说明书45本章小结265活塞机械负荷分析2751活塞的热负荷27511活塞热应力有限元分析2752活塞的机械负荷29521活塞受力分析29522活塞顶气体压力29523活塞往复惯性力30524活塞裙部法向压力的确定3153机械应力边界条件3254活塞和机械负荷综合有限元分析3255本章小结346总结35总结和体会37致谢38参考文献392西华大学毕业设计说明书2100T二甲醚发动机活塞设计摘要本文分析了柴油机使用二甲醚代用燃料的现状和优势，并根据二甲醚燃料的特殊理化性质，对二甲醚发动机的活塞进行了设计，并用ANSYS有限元软件对活塞的热负荷和机械负荷进行耦合分析，为2100T二甲醚发动机活塞的耐久性和可靠性提供科学依据。分析结果显示，活塞的温度分布很不均匀，最大的温差达到了将近100K，这导致了活塞内部具有很大的热应力，通过ANSYS软件，分析出了活塞内腔顶部、第一环槽、第四道活塞环槽下沿和活塞销座上方外侧的热应力较大；活塞顶部热膨胀最严重。同时对活塞进行了热力耦合分析，分析结果表明设计出的活塞，符合热力要求。关键词二甲醚活塞热力耦合有限元THEDESIGNOF2100TDMEENGINEPISTONABSTRACTTHISPAPERANALYZEDTHEUSEOFDMEENGINESTATUSANDBENEFITSOFALTERNATIVEFUELS,DMEENGINEPISTONDESIGNEDUNDERTHEDMEFUELSPECIALPHYSICALANDCHEMICALPROPERTIES,ANDPISTONTHERMALANDMECHANICALLOADSARECOUPLEDANALYSISBYUSINGANSYSFINITEELEMENTSOFTWAREPROVIDINGASCIENTIFICBASISOF2100TDMEENGINEPISTONDURABILITYANDRELIABILITYTHERESULTSSHOWEDTHATTHEPISTONSTEMPERATUREDISTRIBUTIONISUNIFORM,THEMAXIMUMTEMPERATUREREACHEDNEARLY100K,WHICHLEDINSIDETHEPISTONHASAGREATTHERMALSTRESSANALYSISOFMAXIMUMTHERMALSTRESSOFTHEPISTONCAVITYINTHETOPOFTHEPISTONBYANSYSSOFTWAREALSOCONDUCTEDAPISTONCOUPLEDTHERMALANALYSISANDTHERESULTSFOUNDINTHISDESIGNFORTHE2100TPISTON,WHICHMEETINGTHESTRENGTHREQUIREMENTSKEYWORDSDMEPISTONTHERMALCOUPLINGFEM3西华大学毕业设计说明书1绪论能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础之一，化石能源（主要指石油、煤、天然气）仍是当今世界的主要能源。20世纪50年代以后，全世界经历了三次重大的石油危机，由于石油危机的爆发，对世界经济造成巨大影响，国际舆论开始关注起世界能源危机问题。许多人甚至预言世界石油资源将要枯竭，能源危机将是不可避免的。如果不做出重大努力去利用和开发各种能源资源，那么人类在不久的未来将会面临能源短缺的严重问题。所以现在人类迫切的需要找到代用燃料，来缓解石油资源匮乏和需求之间的矛盾。1995年以来,丹麦技大学、AVL等公司对二甲醚用于柴油机进行了研究。在我国,1997年西安交大开始进行直喷式柴油机燃用二甲醚性能研究,成功改造了高速二甲醚发动机并获自主知识产权,并于2000年9月成功研制出我国第一台二甲醚城市中巴车2005年6月,上汽集团、上海交大联合上柴股份和上海焦化成功开发了我国首辆无黑烟二甲醚公交客车2005年9月西安交大和山东久泰联合开发了我国第一台油、二甲醚混合燃料客车1。所以我们可看出柴油机改用二甲醚为燃料越来越受人们所关注。首先我们知道活塞是内燃机的核心部件之一，它与活塞销、活塞环一起组成活塞组在气缸里作往复运动。它在高温、高压，高速、润滑困难，同时承受交变载荷的恶劣条件下工作。发动机故障大部分出现在活塞上，特别是强化程度越来越高的柴油机，活塞出现的故障约占整个柴油机故障的半数以上2。综上所述，要对内燃机的燃料进行更改，考虑活塞的重新设计与强化，是必不可少的。11车用新型燃料概述由图11可见,柴油机的燃油可以分为来自于石油产品的轻柴油，重柴油，船用燃料油以及天然气LNG,CNG,液化石油气LPG,醇类燃料甲醇,乙醇,二甲醚DME,生物柴油,乳化燃料等代用燃料3。4西华大学毕业设计说明书图11车用燃料及来源图为了保障我国经济社会的可持续发展,缓解我国能源危机和环境污染的力。在对现有能源采取更有效地省油措施之外,还需要积极主动的研究和发展新型清洁代用能源。政府部门及其内燃机相关行业正在大力对这一有着重大意义的课题开展研究。因此开展该领域课题的研究,对社会实践和理论都有着重大的意义。目前在柴油机上使用的代用燃料主要有天然气LNG,CNG，液化石油气LPG，醇类燃料甲醇,乙醇，二甲醚DME，生物柴油，乳化燃料等。12二甲醚作为代用燃料的优势人类对能源的需求与利用能源而造成环境污染之间的矛盾一直困绕着世界各国。汽车作为一个流动的污染源，在入口密集的城市和交通发达的工矿地区，石油汽油机含氧燃料发动机LPG,CNG,沼气发动机裂解器燃料电池燃料电池汽油柴油柴油机碳酸二甲酯甲烷氢气天然气，煤生物质能太阳能甲醇，乙醇生物柴油二甲醚5西华大学毕业设计说明书到处散发着大量废气，严重威胁着居民的身心健康，破坏着生态平衡，成为大气污染的“罪魁祸首”。由于世界石油资源日趋减少，同时为解决发动机的排放问题，在内燃机领域中对清洁代用燃料的研究已成为前沿课题。随着人们对环境污染重视程度的提高，世界各国对发动机排放的限制也日益严格。美曰欧各国既是世界汽车工业的先驱，同时也在控制汽车排放方面居世界领先地位。美国自从本世纪40年代加州的洛杉矶光化学烟雾事件以后，首先认识到汽车内燃机是城市空气污染的主要来源。1960年加州通过了“汽车污染物控制法令”，限制CO、HC的排放量。1963年美国联邦政府以此为依据制定了“大气净化法”。此后限制标准逐年严格1970年后采用排放率标准；1971年又增加了NOX的排放限制。日本受美国排放限制的影响，早在1965年就着手调查本国的大气污染情况，并逐步制定出排放标准和检测方法，并于1966年7月制定了汽车排放污染物标准，对CO进行了限制；1970年起又增加了HC的限制；1973年又增加了NOX的限制；80年代中期与美国相对应日本亦公布了重型车辆严格的微粒和NOX排放标准。1970年，欧共体EEC定了限制卡车排放的标准。1989年起对柴油轿车的微粒也作了限制4。表11为欧洲重型车用柴油机排放限值。表11欧洲重型车用柴油机排放限值排放标准欧洲1欧洲2欧洲31欧洲3测试循环ECER49ECER49ESCETC生效日期1992年1996年2000年2000年CO454021545HC1111066NMHC078CH416NOX80705050PT036/0612015/0253010/013302131）还有动态烟度限值08M1；2）适用于额定功率不大于85KW的柴油机；3）适用于单缸工作容积小于07L，额定转速大于3000R/MIN的柴油机。6西华大学毕业设计说明书我国于1981年起开始制定汽车排放标准，从1983年起陆续颁布了一系列有关汽车和摩托车用内燃机的排气污染物排放标准和对应的测量方法。在机动车排放污染防治技术政策中规定我国轿车的排放控制水平，2000年达到相当于欧I水平，最大总质量不大于35T的其他轻型汽车包括柴油车型式认证产品的排放控制水平；2000年以后达到相当于欧I水平；所有轻型汽车含轿车的排放控制水平，应于2004年前后达到相当于欧II水平，且10年前后争取与国际排放控制水平接轨；重型汽车最大总质量大于35T与摩托车的排放控制水平，2001年前后达到相当于欧I水平，2005年前后柴油车达到相当于欧II水平，2010年前后争取与国际排放控制水平接轨。按热值计算，二甲醚热值仅为柴油热值的647，但同时二甲醚液体的密度只有柴油密度的785。按这个数据计算，在车辆使用二甲醚时，要达到原柴油机的动力性，二甲醚供给量应达到柴油的19倍。现在，二甲醚的市场价格为4100元/T左右，0号柴油市场价格在山东省达到了8200元/T左右，其他市场是8400元/T8600元/T。因此，即便行驶相同里程，二甲醚汽车的燃料成本是柴油汽车燃油成本的2倍也是合算的5。根据我国自然条件和能源资源特色，如何在后石油时代，逐步改变汽车能源结构，发展汽车清洁代用燃料，在发动机上实现高效、低污染的燃烧，控制汽车发动机有害排放对我国城市大气质量带来的日趋严重的影响，已成为我国能源与环境研究中的一个十分重大和紧迫的研究课题。二甲醚DME具有燃料的主要性质，其热值约为64686KJM3，且其自身含氧，能够充分燃烧，不析碳、无残液，是最简单的醚类化合物，常温下为气态中压下为液态。液态时，无色无毒，对皮肤有轻微刺激，不致癌，腐蚀小；在大气中很快分解为水和CO2；二甲醚和柴油都是高十六烷值类燃料，但因二甲醚分子组成中含氧且具有高挥发性，导致了二甲醚具有较好的减烟素质。如表12二甲醚和柴油、丙烷、丁烷、甲醇理化性质的对比6。7西华大学毕业设计说明书表12二甲醚和其他燃料理化性质的对比特性二甲醚柴油丙烷丁烷甲醇分子式CH3OCH3CXH18XC3H8C4H10CH3OH分子量460719360441158133204沸点/24918360420565蒸汽压/KPA，20518421032液态密度/GCM106680840501061079液态粘度/104PAS1015535628010180768低热值/MJKG1284342546364574195爆炸极限/，空气中34170665219419846365着火温度/235250470365450十六烷值556040555理论空燃比/KGKG1901461566154565汽化潜热/KJKG1,204102503703581110碳含量/52286818828125氧含量/34800050氢含量表12中可以看出，二甲醚作为柴油机燃料有如下优点7（1）二甲醚分子结构只有CH和CO键，没有CC键。含氧比例达到（348），可以实现无烟燃烧，同时它可以使用更大的废气再循环EGR，降低NOX排放。8西华大学毕业设计说明书（2）二甲醚的十六烷值比柴油高，远高于其它代用燃料，因此在柴油机上燃用二甲醚不像甲醇、乙醇、液化石油气和天然气那样需要助燃措施。而且高的十六烷值可缩短着火滞燃期，减少预混合燃烧量，降低NOX排放。（3二甲醚汽化潜热（460KJ/KG）几乎是柴油250KJ/KG的两倍，可以大幅降低最高燃烧温度，NOX的排放。4二甲醚的沸点温度24低，喷入气缸后的雾化速度比柴油快的多，燃烧品质也好的多。5二甲醚低热值（276MJ/KG）比柴油的（43MJ/KG低（36），但理论混合气热值（371MJ/M3）与柴油的（383MJ/M3）接近，所以需要较小的空燃比。13本课题选题意义及目的本课题，利用现有的活塞设计参考资料，对2100T二甲醚发动机的活塞进行了设计，然后利用有限元软件对设计出的活塞的热负荷和机械负荷承受情况进行分析，为2100T二甲醚发动机活塞工作的可靠性和耐久性的评价提供科学依据。我们知道二甲醚在发动机上面的应用分为压燃式和点燃式，其中压燃式分为纯二甲醚缸内直喷压燃式和二甲醚/柴油双燃料压燃式；而点燃式只要应用于预混和点燃发动机。众所周知，活塞、活塞销和活塞环等在气缸里作往复运动的零件，它们是活塞式发动机中工作条件最严酷的组件。所以要求设计出的活塞，满足活塞设计的技术要求1使用热强度好、耐磨比重小、热膨胀系数小、导热性好、工艺性好的材料；2有合理的形状和壁厚，保证散热良好，强度、刚度符合要求，重量轻，避免应力集中；3保证燃烧室气密性好，窜气、窜油少；4在不同工况下保持活塞与缸套的最佳配合间隙；5减少活塞从燃气中吸收热量，而已吸收的热量能顺利地散走；6在较低的机油油耗条件下，应该保证滑动面上有足够的润滑油8。9西华大学毕业设计说明书14设计的主要内容及工作1根据二甲醚燃料的特性对2100T柴油机进行工作过程计算得到燃烧室混合气瞬时爆发的最高温度和压力，根据教材和原有活塞原型设计出二甲醚发动机活塞，根据经验公式，和已有的研究成果和实际的发动机机型，确定活塞其他各处传热的换热边界条件。2应用软件PRO/E对活塞进行实体建模，并进行模拟的运动分析。并将活塞模型图转换为相应的工程图并结合CAD软件，完成其图样的绘制，以便实现对其进一步精确设计和检验。3应用ANSYS软件，将边界条件加载到有限元模型中，计算出活塞在稳态条件下的温度场，对活塞的热负荷进行了评价。4以稳态条件下得到的温度场作为边界条件，施加约束，计算活塞在温度载荷下的热应力和热应变。5分析活塞在最大爆发压力的受力情况，忽略一些次要的受力，计算出活塞机械负荷边界条件，耦合稳态条件下的温度场，施加约束条件，得到活塞在机械负荷和热负荷共同作用下的应力场和应变场。10西华大学毕业设计说明书2发动机工作过程计算21本课题2100T二甲醚发动机原始参数表212100T二甲醚发动机机参数表缸径D100MM活塞行程S120MM连杆长度L200MM发动机转速N2000R/MIN压缩比16供油提前角18缸数I2额定功率184KWEP大气压力01MPAOP大气温度288KTGC052GH013GO035示功图丰满系数09H低热值27600KJ/KG22二甲醚发动机工作过程计算（一）排气过程排气压力0125RPMPA11西华大学毕业设计说明书排气温度78904RTK（二）进气过程1进气终了压力1APMP2进气终点温度324T（三）压缩过程1压缩终点压力0761CPA2压缩终点温度954TK（四）燃烧过程1理论所需空气量03L2实际分子变更系数1683燃烧最高温度597ZTK4最高燃烧压力04ZPMPA（五）膨胀过程1膨胀终点压力321B2膨胀终点温度97KT（六）发动机性能指标1平均指示压力031IPMA2指示热效率7I3有效热效率E4有效燃油消耗率352G/KWH5平均有效压力04EPMA6有效功率17N7通过上述算出条件，绘制出P图12西华大学毕业设计说明书图212100T二甲醚柴油机P图8通过上述算出条件，绘制出T图图222100T二甲醚柴油机T图13西华大学毕业设计说明书3活塞组设计根据活塞工作条件，在进行活塞设计时首先要求913（1）选用的热强度好，散热性好，热膨胀系数小，耐磨、有良好减摩性和工艺性的材料。（2）形状和壁厚合理，吸热少，散热好，强度，刚度符合要求，尽量避免应力集中，与缸套有最佳的配合间隙。（3）密封性好，摩擦损失小。（4）重量轻31活塞材料选择活塞工作时，由于承受极高的热负荷和机械负荷，对活塞的材料有以下要求强度高、重量轻、良好的滑动性绝热和导热性好、线膨胀系数小良好的耐磨和耐腐蚀性根据现有机型，常用的活塞材料有1灰口铸铁灰口铸铁是较早应用于活塞的制造材料，它有耐磨，耐蚀，耐热，热强度好，膨胀系数小，成本低，工艺性好等优点。但是它的材料密度大，在相同结构尺寸下，质量大，不适用于高速发动机。2）铝合金目前采用较多的是硅铝系合金，它是在铝中加硅（SI）以减小热膨胀系数，提高耐磨、耐热性能，改善铝合金铸造性能。在硅铝系合金中，虽然亚共晶硅铝合金的常温和高温强度均为最佳，但其热膨胀系数较大（241061/）。对于共晶硅铝合金（含硅1113），其膨胀系数较小（为2051061/），但切削性比亚共晶硅铝合金和铜铝合金差。即便如此，共晶硅铝合金仍是现代活塞的标准铸造铝合金材料。3）耐热钢及球墨铸铁材料14西华大学毕业设计说明书高强化发动机，大多采用钢顶铝群，或钢顶铸铁群的组合油冷活塞。铝合金为现在比较流行的活塞材料。参照相似机型，对2100T二甲醚发动机的活塞，选用了ZL109共晶硅合金。32活塞结构设计321活塞头部设计A图31活塞结构尺寸H总高度H1压缩高度H3上裙高度H4孔销高度H2裙长H1火力岸高度H2环带高度C1环岸高度B1气环环槽高度B2油环环槽高度如图31可看出活塞头部包括顶部和环带部两部分。二甲醚燃料较柴油有更好的挥发性，为了降低二甲醚发动机噪音。提高舒适度，活塞采用偏置式半球型燃烧室，偏心度A为32MM，半径为18MM。活塞火力岸高度H1是根据强度、刚度及散热条件来确定的。通常情况下，柴油机铝活塞H1值约为（0102）D。为了使活塞的第一环槽能正常工作而不至于过早损坏，除了适当的选择顶岸高度外，采取以下措施1）保证活塞在上止点时，第一环的位置处与冷却水套中。2）将第一环槽安排在活塞顶厚度以下。15西华大学毕业设计说明书即活塞H120MM。环带的高度H2取决于气环和油环的数目以及各环槽和环岸的高度。活塞环数取决于密封的要求，它与内燃机的气体压力及转速有关。由于漏气量随气体压力和气缸直径的增大而增大，随内燃机转速的增大而减小，因此高速内燃机的环数比低速内燃机的少，汽油机的环数比柴油机的少。根据上述理论，采用三道气环一道油环较为合理。因受到高压燃气作用和环对环槽肩的冲击，环槽肩应有足够的强度，以防止环槽。而第一环受到的气体压力比其他环肩高，所以第一道环槽肩的厚度比其他环槽肩的后的大。113CZPZM由1式中Z环槽深度，MM；PZ最高爆发压力，N/MM2；环槽材料许用应力。又由铝合金26N/MM2得气环槽高B125MM；油环环槽高B24MM；环岸C14MM322活塞裙部设计活塞销上部的裙部长度是影响H1的另一关键要素。一方面为了保证油环工作状况良好，则环在槽中的轴向间隙很小，另一方面间隙小会由于销座的变形而使油环卡住而失效。综上所述，现代高速内燃机活塞的压缩高度取值范围汽油机H1（04506）D柴油机H10608）D公差H1005即H16794MM活塞裙部H2是指活塞头部最低一个环槽一下的部分。它导引活塞在气缸中高速滑动，承受由于连杆摆动产生的侧压力。16西华大学毕业设计说明书汽油机2068HD柴油机75根据相似机型得H280MM323活塞与气缸配合间隙参照常温时活塞各部分配合间隙，如表31确定活塞与气缸配合间隙。选定活塞头部配合间隙D05MM活塞上裙配合间隙D106MM活塞下裙配合间隙D2015MM表31活塞与气缸配合间隙材料间隙DD1D2铸铁00030005D000083D1000067000083D2ALSI000500057D000250033D10001100015D2ALCU0008D0004D100015D2注D活塞头部直径D1活塞上裙直径D2活塞下裙直径33活塞环的设计活塞环是内燃机关键零件之一，其工作直接影响发动机的性能。活塞环分为气环和油环两类。331气环的设计气环的作用是1）与活塞一起密封气缸工作腔；2）将活塞头部的热量导出。油环的主要作用是使气缸壁面的润滑油分布均匀，并避免多余的润滑油17西华大学毕业设计说明书窜入燃烧室，造成积炭和增大润滑油的消耗量。活塞的气环有矩形环、锥形环、正扭曲内切环、反扭曲锥面环、梯形环、桶面环。所设计的活塞采用最常用的三道气环，一道油环。通常情况下我们会考虑矩形环作为第一道环，但是当活塞下行时，由于环与缸壁之间的摩擦阻力，环将压靠到上端面，缸壁上的机油就被刮到下边隙与背隙内。当活塞上行时，环又压靠在环槽的下断面上，第一道环背隙里的机油经过上边隙就进入气缸中。这样容易引起燃烧室积炭，增加机油的消耗。于是我考虑梯形环，如图24所示在活塞侧压力FN作用下横动时，环的的侧隙发生变化，能把胶状油焦从环槽中挤出。在这方面考虑第一环选择梯形环较为合适。图32梯形环结构示意图为了进一步减少和消除有害的泵油作用，第二环采用正扭曲矩形环，第三环采用反扭曲矩形环。如图33，34所示图33第二道活塞环截面18西华大学毕业设计说明书图34第三道活塞环截面332油环的设计油环没有足够的环背气压力使其贴向气缸壁，因此要求足够的弹力和较小的外圆表面，以形成较高的径向单位面积压力。普通单体油环的径向压力最低，刮油能力和耐久性都较差，带波形板衬簧的油环有较大的径向压力，于是采用此种组合式油环如图35所示图35活塞油环（左为波形板衬簧，右油环截面）34活塞销的设计活塞销的功用是连接活塞和连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆。活塞销在高温下承受很大的周期性冲击载荷，润滑条件很差，因此要求有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量尽可能小。活塞销如图36所示19西华大学毕业设计说明书图36活塞销20西华大学毕业设计说明书4活塞热分析41活塞热负荷概述首先我们知道活塞是处在非常恶劣的条件下工作的，其燃烧室中燃气的最高瞬时温度一般都高达16001800左右，燃气平均温度也高达600800左右。柴油机燃烧室内的高温气体通过对热换流及热辐射的方式向活塞传递热量，使其温度升高，活塞通过活塞头，活塞环，活塞内表面，活塞裙部等部位向新鲜冲量，气缸壁，冷却液及润滑油等散热。评定活塞的热负荷首先要看活塞的最高温度。一般活塞顶的最高温度高达300350左右，考虑到活塞处在气缸体冷却水套和飞溅润滑油冷却的环境下，这些情况都导致了活塞内外壁的温差，从而产生热应力。内燃机的活塞，只从机械强度方面来衡量往往是不够的，还必须考虑适当的热应力状态。铝合金和灰口铸铁是铸造活塞经常选则的材料，其中当铝合金的温度达到300时，它的机械强度会下降50，当温度达到350左右时，达到它的材料允许极限，当铝合金活塞的温度在380400或者更高的时候，活塞不能保证可靠运转，出现疲劳裂缝损坏。活塞的最低温度也有限制，不能低于其下限值，因为含硫燃料由燃烧产生的冷凝物在过低的温度下会对金属产生酸性腐蚀。42有限元模型的建立421活塞主要参数本文所研究的2100T柴油机活塞材料为ZL109共晶硅合金，柏松比为03，弹性模量为71GPA，密度导热系数为14665W/MK热膨32710KG/M胀系数为2096106/K。活塞直径D9978MM，冲程S120MM，曲柄半RS/260MM，连杆长度L200MM，R/L03，活塞质量MIP23KG。21西华大学毕业设计说明书422三维几何模型的建立用PROE建模后的活塞如图41所示，然后导入ANSYS100后如图42所示，采用六面体单元SOLID95来描述，然后在SMARTSIZE中选择划分精度为“6”，然后在燃烧室和活塞销座上精划网格，选择精度为“5”。如图42所示，活塞的油孔，导油槽和微斜角在有限元软件中划分网格时会产生大量的节点和单元，而这些部位对活塞的应力分析影响不大，但是对这些非关键部位的孔和圆角进行了简化处理，其余部分均按照实际尺寸进行建模。活塞的头部圆锥和椭圆形裙部在建模过程中都未采用，大多数情况下都是用1/2模型进行分析，因为这样不会耗费较多的计算和分析时间，但由于这样会不可避免的带来误差，于是此次分析未考虑使用。图41活塞整体和半剖模型图42导入ANSYS后划分网格22西华大学毕业设计说明书43活塞温度场边界条件431活塞的温度边界条件根据已有的研究成果和相似机型2120柴油机的边界条件1416，估算得出2100T活塞在缸内温度最高时的边界条件如表41表41活塞边界条件边界对应区域对流换热系数KMW2/环境温度（K）喉口435侧面420燃烧室底部420940顶部420936火力岸260480上沿600内沿500第一环下沿1500470第一环和第二环之间环岸500465上沿650内沿500第二环下沿650460第二环和第三环之间的环岸500440上沿750第三环内沿50043523西华大学毕业设计说明书44活塞温度场有限元分析在前面的有限元模型基础上，在ANSYS中输入活塞材料特性，加载表41中的边界条件，进行活塞的温度场计算，经多次修正，在后处理器中得到了如下结果。从图44整体上看出，活塞的温度分布很不均匀，活塞顶部温度非常高，2100T柴油机用的是球型偏置燃烧室，它的第一环槽，燃烧室侧壁和喉口的温度比较高，特别是喉口温度达到了活塞的最高温度570907K对应图中标识MX的位置活塞最低温度为454778K，在活塞最底部对应图中MN的位置两者相差有将近100K，这导致了活塞很大的热应力。由图45中科看出燃烧室喉口处出现了整个活塞的最高温度570907K，此处常常由于热疲劳而产生裂纹。活塞的顶部是主要受热，受力部分，其温度较高，最高为558004K，最低为553051K，最低温度在远离燃烧室一侧顶面边缘处，燃烧室偏置一侧顶面温度较另一侧高，这与活塞顶部传热方式有关。火力岸平均温度在553903K左右，燃烧室偏置一侧的火力岸温度较高为561393K，另一侧较低545101K。我们可以看到温度在经过第一道活塞环后，下沿750第三环和第四环之间的环岸500430上沿750内沿600第四环下沿750420活塞内腔顶部800360裙部30036324西华大学毕业设计说明书温度降为532192K，可见第一道活塞环的重要和经受的热负荷。但是我们会发现，第一道环的温度很接近一般润滑油的结胶温度493K，如果长期在这种负荷下运行，而活塞第一环还有有害的泵油作用，这会加剧润滑油的消耗，更可能使环被卡死在环槽中，失去气密性，划伤气缸壁，甚至是环折断。这里与之前活塞第一环设计时考虑不用矩形环相吻合，梯形环的侧隙相应发生变化，能把胶状油焦从环槽中挤出，促使间隙中的机油更新。从第一道活塞环槽到活塞裙部温度逐渐降低，第二道活塞环平均温度为519294K，第三道环的温度519K左右，油环温度由于受到喷油冷却的影响其温度在506391K，活塞裙部的温度较低为454778K左右。内腔中部由于没有收到机油冷却的作用。我们看到它的温度较高为480585K。活塞顶部所承受的气体压力将通过销座和活塞销传给连杆，所以销和销座要求有一定的刚度，足够承受压面和良好的耐磨性并且温度不能太高，以免引起销座的疲劳，由图44得活塞销的温度较低，在467681K左右。由图46和47活塞温度梯度分布云图我们可以看到，温度梯度最大的位置在活塞第一环槽，其值为3475K/M，火力岸和裙部的温度梯度都较小，大部分温度梯度值都在1158K/M。由图48和49活塞热流密度分布云图我们得到，活塞第一环槽的热流密度较大0509106W/M2，第二道活塞环0339106W/M2，第三道活塞环0282106W/M2，第四道活塞环0226106W/M2，而活塞的其他部分的热流密度主要在0566105W/M2左右，远小于活塞环的热流密度，这和活塞组吸入的热量约占攻入内燃机总热量的24,这部分热量的散发主要通过环带部（约占6075）和裙部（约占2030），仅少部分（约占510）通过活塞内腔飞溅的机油带走,相吻合。25西华大学毕业设计说明书图44活塞温度分布图图45活塞顶面温度分布图图46活塞侧面温度梯度分布云图图47活塞温度梯度分布云图图48活塞热流密度矢量分布云图图49活塞顶热流密度矢量分布云图26西华大学毕业设计说明书45本章小结本章根据活塞的参数建立了整个活塞的三维几何模型，进而将其导入ANSYS分析了活塞与高温燃气的热边界条件，并利用VB编程计算出的发动机工作过程中瞬时温度，确定活塞顶面内腔的换热系数，并通过相关机型和已经研究出来的成果，确定活塞各部位边界条件。活塞的最高温度出现在了燃烧室喉口边缘位置，主要原因是此处高温气流的流速较高，且远离冷却部位。第一环槽的温度545101K，超出了润滑油的结胶温度，长期在此负荷下工作的话，会在此处引起润滑油结胶，结碳等问题。尽管梯形环能够在侧压力作用下，将胶状油焦从环槽中挤出，但是考虑到发动机可靠性，必须降低其温度。27西华大学毕业设计说明书5活塞机械负荷分析51活塞的热负荷511活塞热应力有限元分析18,19,20通过上一章对活塞稳定温度场的分析我们知道，活塞的温差非常大，而且分布很不均匀，所以想必活塞内部的热应力是很大的，所以在本节中，为了进一步分析活塞的热负荷，通过采用间接耦合法，对活塞没有加载任何机械应力，通过上一章活塞温度场分析结果文件（RH），将其读为边界条件，进行热应力分析。从图51和图52可以知道，内腔顶部较薄而且温差比较大，热应力也集中，其最大应力为132MPA，四道活塞环槽下沿和活塞销座上方外侧的热应力都比较高，148MPA左右，热应力相对比较集中，易引起损坏，第一环槽还受到高温燃气的作用，更容易引起破坏，其主要原因是因为棱角过渡，且热流密度较高，热阻较大，热应力集中，所以设计活塞结构时，尽可能地不出现棱角尖角等剧烈过渡。其他部位的热应力都比较低。由图53和图54可以看出是活塞的热应力位移等值云图，我们可以从图中可以看出，活塞因受热向外膨胀，活塞顶部的温度较高所以热变形较大为0477MM，活塞顶与气缸的装配间隙为05MM，活塞膨胀位移小于装配间隙。由图55和图56我们看到其分别为X方向和Y方向上的活塞的热位移，Y方向上的热位移最大发生在活塞顶面，其值为0396MM，由X方向上的位移我们可以看到由于活塞燃烧室的偏置，活塞顶面靠近燃烧室部位热位移最大0320MM。28西华大学毕业设计说明书图51活塞热应力云图图52活塞内腔热应力云图图53活塞热应力位移云图图54活塞顶面热应力位移云图29西华大学毕业设计说明书图55Y方向上的热位移云图图56X方向上的热位移云图52活塞的机械负荷521活塞受力分析柴油机在工作的时候，活塞承受的气压力和惯性力是周期性变化的，因此活塞不同部分会受到交变的拉伸，压缩和弯曲载荷。其中高温燃气压力FG，裙部法向压力FN，活塞往复惯性力FJ和连杆通过活塞销对活塞销座的支反力FB，如图56所示30西华大学毕业设计说明书图56活塞受力分析522活塞顶气体压力由示功图21知，曲轴转角80时，缸内爆发最大压力PC90467MPA，此时活塞顶受到的气体总压力为510GCFPA式中PC为最高燃气的绝对压力P0为曲轴箱内气体的压力，A为活塞顶部面积（D为气缸直径）2452经51和52计算得FG7023160N523活塞往复惯性力由于活塞在气缸内做周期性的高速往复直线运动，产生很大的惯性力。FJMJ53式中M为活塞组件的质量，本次活塞组件质量为245KG，J为活塞加速度活塞的加速度根据曲柄连杆机构的几何关系求出，如图57所示。加速度是位移对时间的两次求导。31西华大学毕业设计说明书XS2RL图57几何关系图由图57的几何关系可知，活塞的位移为54COS1COS1COSLXRLLRR由55INKL有562COS1SIK得572SSINXRLK还可以通过牛顿二项式定理可简化为581COS1COS4R求导的592S2JRK式中60MM,200MM,03，带入得LRKL0716，2371/JMS859NIF32西华大学毕业设计说明书524活塞裙部法向压力的确定根据力的平衡关系，裙部受到的侧压力为510NGIFT由正弦定理和三角函数关系式可求的，代0374TGCOS093入相关数据得NF2319751148NAP活塞销座的支反力的确定512BYFGI活塞销座支反合力为513COSGIB代入相关数据求得FBY6197172N；FB6201513N53机械应力边界条件由上节计算得到活塞机械负荷边界条件，如表51表51活塞机械负荷边界条件力的性质（N）作用的面积M2作用在活塞上的压强PAF23197N016E160148NP605B126E692BJG7850E667JG33西华大学毕业设计说明书54活塞和机械负荷综合有限元分析由图58和图59，在机械负荷和热负荷两种载荷的综合作用下，最大的应力为997MPA，活塞销座上部外侧即受到较大的热应力又受到较大的销座支反力，活塞销的变形中间往上，两端往下变形，造成了对活塞销座底部外侧压缩，产生机械应力。还可以发现在活塞销座上部内侧与活塞内腔顶部区域的应力也很大，为333MPA，这里是活塞销座上部设计出大块加强筋的原因。活塞燃烧室内综合应力都比较小，在112MPA左右，只是活塞销正上方的燃烧室底部综合应力较大，为224MPA。第一，二环槽下沿的综合应力较小，为113MPA左右，活塞环槽区主要是热负荷作用，油环槽由于同时还受到活塞销的支反力，所以综合应力较大。活塞内腔顶部中心综合应力相对较小，因为只受到热应力的作用，受到机械载荷的影响较小。活塞裙部的综合应力较小，大都在10MPA以下。图510和图511为活塞热负荷和机械负荷耦合位移云图，在机械应力和热负荷的综合作用下，活塞的最大变形在燃烧室偏置一侧的活塞顶和火力岸还有活塞裙部底端，为047MM，活塞最小变形在内腔顶部中央。对活塞销座进行了严格的约束，约束位移为0MM。但是在活塞实际工作过程中，活塞销受到活塞通过销座接触副传过来的力和热量，都会引变形。所以在图510中，活塞销座附近的变形为0MM。这是此次分析中的不足之处。图512显示出活塞的变形方向，由于活塞裙部主推力一侧比次推力一侧变形量大，活塞变形方向主要是径向向里和活塞轴线向下，而活塞销座和裙部的变形量都很小。34西华大学毕业设计说明书图58活塞热力耦合云图图59活塞内腔热力耦合云图图510活塞热力耦合位移云图图511活塞热力耦合内腔耦合位移云图图512活塞热力耦合外形变化35西华大学毕业设计说明书55本章小结本章分析了活塞的热应力和热变形，分析了对活塞应力和变形有主要影响的机械负荷，确定了机械负荷和热负荷综合分析的边界条件，进行了有限元分析，得到以下结论活塞仅受热负荷时，热应力的最大值出现在油环槽的下部外侧，和活塞内腔顶面，其值为132MPA和148MPA之间。内腔顶部，油环槽下沿和活塞销座上方外侧的热应力都比较高，活塞其他地方位置的热应力较小。活塞火力岸和活塞顶面的边缘为活塞的最大热变形位置，其值为0477MM。活塞裙部的膨胀变形方向与活塞销轴线垂直，使得活塞裙部趋于长轴在活塞销座上的椭圆。耦合机械负荷和热负荷两种载荷后，活塞最大的应力为997MPA，在活塞销座上端。活塞油环槽内侧与活塞内腔顶部链接处的综合应力也比较大。活塞的最大变形处在活塞顶与火力岸的边缘，其值为0476MM，活塞的最小变形在内腔中央。36西华大学毕业设计说明书6总结本文主要是对2100T二甲醚发动机的活塞进行设计，主要研究和结论如下（1）活塞的最高温度（570907K）出现在燃烧室喉口边缘处，最低温度出现在活塞裙部底部454778K；第一环槽的温度532192K是温度梯度和热流密最大处其值为0509106W/M2。（2）表61列举了活塞材料ZL109随温度变化的强度，参考表61我们分析在温度载荷作用下，活塞膨胀产生热应力和热变形，热应力的最大值148MPA，出现在有环槽的下部，远小于活塞材料的屈服强度；由于温度梯度较大，活塞内腔顶部中央，油环槽下沿热应力都比较高。活塞销孔下端周围受热膨胀由于受到活塞销的牵制也产生较高的热应力。火力岸和活塞顶面的边缘为活塞的最大变形位置。表61ZL109的强度温度150250350抗拉强度（MPA）230180100抗压强度（MPA）22517095（4）参照表61，在机械负荷和热负荷耦合的作用下，活塞最大的应力997MPA，位于活塞销座上端内侧，小于活塞在该温度下的屈服强度。贮油孔壁下端和活塞销座上端综合应力也比较大。活塞的最大变形为0303MM，出现于活塞项与火力岸的边缘，在燃烧室偏置的一侧，小于活塞与气缸配合间隙。活塞的最小变形在内腔顶部。从活塞顶部到裙部变形量逐渐减小。活塞头部的变形比活塞仅受热负荷时小。经过分析参照设计资料提出改进措施37西华大学毕业设计说明书1）通过机油冷却活塞。从连杆小头上设计喷油孔，或者将喷油嘴安装在机体上，向内腔顶部喷射机油；在内腔设计环形油腔通过机油振荡冷却活塞。2）活塞表面处理。用硬模阳极氧化的方法处理活塞顶部表面，或在活塞顶表面涂上、镀上绝热层，形成耐热层，增大热阻，使高温燃气向活塞顶传递的热量减少。3活塞环处理。在第一环槽上方设计隔热槽；在燃烧室喉口处第一环槽铸入耐热护圈增加其耐磨性能。如图61所示耐热，耐磨护圈冷却腔喷油冷却隔热环槽图61活塞改进4）在热力耦合分析下，在活塞内腔与活塞销座链接处的应力较大，在此处应设计出加强筋。38西华大学毕业设计说明书总结和体会在用ANSYS软件对活塞热力耦合过程中，我遇到了不少问题，有些是超出自己的能力范围的，每当无法实现自己的想法或是运行出现问题时，情绪就会浮躁，在同学和老师的帮助下，经过努力，终于完成了本次毕业设计。越是不懂的东西越要去学，在学习的过程中，你会收获很多。指点是学习最有效的方法，有些问题你苦思不得其解时，旁人指点一下，你就会恍然大悟。既节省时间又提高效率。通过学习，你会发觉自己的知识储备量在递增，当达到一定量时，就会感觉头脑很充实，在完成任务方面也轻松多了。此次毕业设计，我花费了不少