基于ANSYS的活塞应力分析 ——毕业论文

基于ANSYS的活塞应力分析海 南 大 学毕 业 论 文（设计）题 目： 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；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 complicated.In working condition,periodic load,such as high gas-pressure,thrust 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 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 then 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1 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22参 考 文 献23IV1 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。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，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在ANSYS中进行分析，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。用户利用这些高级图元直接构造几何模型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： （2.1）公式中：代表功，代表热量，是系统的内能，系统动能，系统势能。3.1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： （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： （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律，即：单位的时间内经过单位面积的热量（即热流密度q）是正比于此处的温度梯度和截面面积12，即 （2.4）式中负号表示热流密度的方向永远指向温度降低的方向；是材料的导热系数，表征物体传递热量的能力大小，单位是；表示单位法向向量；表示温度在方向上的导数。各个方向上的热流密度分量由傅里叶定律的向量表达式的分量形式可表示为： （2.5）3.4导热微分方程及定解条件（1） 导热微分方程我们在研究导热问题的时候，最关键的一环是要确定出温度梯度，而想要确定出温度梯度，必要先求解出导热体内温度的分布温度场。完成这一过程，必须要建立能全面地描述出导热问题的温度场的导热微分方程，这是前提条件，之后结合到具体的单值性条件来求解出方程，从而得出特定条件下的温度的分布。在傅里叶定律和能量守恒定律二者的理论基础上，推导得出了导热微分方程式。微分方程式不是同一的，这是由我们对坐标系做出不同的选择来决定的，本文只选取直角坐标系来对相关问题进行讨论。 在需要分析导热过程的物体内选取边长为、的微元体，如图3.1所示。 图3.1 导热微分方程的推导对于非稳态及有内热源的问题，据能量守恒定律，热平衡方程式是13：导入微元体的总热流量+微元体内热源的生成热-导出微元体的总热流量=微元体热力学能的增量 （2.6）任意方向的热流量总可分为x、y、z三个坐标轴方向的分热流量11。导入微元体的热流量，依据傅里叶定律可直接地写出，即: （2.7） 按照傅里叶定律，导出微元体的热流量可做如下描述，即: （2.8） 单位时间内微元体热力学能的增量= （2.9） 式中，为密度；为比热容；为时间。设单位时间内单位体积中热源的生成热为，单位为，则有 单位时间内微元体内热源的生成热= （2.10）假定都是常量。将式2.72.10代入式2.6可得 （2.11） 上述导热微分方程（2.11）是对常物性导热问题普遍适用的导热微分方程。当无内热源时，方程可简化为 （2.12） 当既无内热源又为稳态导热，方程可简化为: （2.13） （2）定解条件完整描述导热问题，需要满足两个要件。一个是对上述的方程式（2.11）或（2.12）或（2.14）进行求解，当然，通过数学方法也可得到方程式的通解。而要得到在特定的情况下导热的问题的唯一解，就必定要附加上限制条件，这就是第二个需要满足的要件，此被称为定解条件，它一般分为初始条件和边界条件。导热微分方程和定解条件两者结合到一起才能够完整地描述出一个具体的导热问题11。初始条件：给定初试时刻的温度分布。边界条件：给出物体的边界上的温度或换热状况。边界条件通常可分为三类： 第一类边界条件。给定边界上的温度值。其给出的关系式是: （2.14）第二类边界条件。给定边界上的热流密度值。其给出的关系式是: （2.15） 第三类边界条件。给定边界上物体与周围的流体间的对流换热表面传热系数及周围的流体的温度。第三类边界条件为: （2.16） 此式中，已知数据有两项，即：流体温度和表面传热系数，未知数据也是两项，即：边界面的温度和温度变化率。3.5对流换热理论 所谓对流换热，指的是当流体以一定速度经过固体表面时，由于相对温差的存在使得二者之间发生了热量传递的现象。图1表示流速为，温度为的与温度为的固体壁面间的对流换热过程，其热量交换可用牛顿冷却公式来求得15: （2.17）式中，物体的表面温度； 流体温度； 热交换区域面积。 图3.1对流换热过程 Fig.3.1 Convective heat transfer process4活塞的温度场分析4.1活塞的热负荷首先，谈谈活塞热负荷研究的必要性。我们知道，在发动机的气缸内不断地进行着燃料的燃烧，这一过程中又不断释放热能并转化为机械能。活塞在工作中要与高温的燃气直接进行接触，在这个状态下，燃气是要通过活塞顶的表面将热传递到活塞的头部的，之后主要是通过活塞环外圆和缸壁内表面的接触将热传递给冷却介质。活塞长时间反复地在高温恶劣的环境下工作，不可避免地引起了零件材料使用强度的降低。导致发动机运行中出现不可靠现象和故障的主要原因，是活塞在工作的过程中的温度过高和温度差问题，所以，对活塞热负荷的进行分析研究是十分必要和有意义的。从壁面周期性瞬时温度波动理论角度看，活塞顶表面的温度会沿活塞顶的法线方向以指数函数的关系很快地降低下来，一般来说，温度的波动层都在2mm以内，它不会对整个活塞的温度场分布产生太大的影响3。由此可见，我们可以把活塞的温度场近似地看作稳定温度场。4.2实体建模本文选择了在三维制图软件UG中建立了某型柴油机的活塞模型。在建模时，根据活塞相关的尺寸参数要求，运用UG软件进行三维实体建模。在建模过程中，考虑到使有限元软件便于计算，因此，将活塞的部分结构做了必要的简化。如图4.1所示。 图4.1 活塞简化模型 Fig.4.1 Simplified piston model4.3活塞有限元建模 在进行活塞的有限元建模时，采用的是在UG 软件中转换成Iges文件格式并导出，之后再导入到ANSYS软件中，以此来得到活塞有限元分析的实体模型。如图4.2所示。 图4.2 活塞的有限元模型 Fig.4.2 Finite element model of piston4.4单元类型的选取因为活塞整体的形状是非常不规则的，尤其是在活塞的结构中存在着各种曲面，所以为了获得科学有效的分析结果，本文在进行稳态温度场的分析时选取了ANSYS单元库中的SOLID90单元。SOLID90单元由20个节点定义而成，每个节点都有一个温度自由度，并可退化为具有10节点的四面体单元、13节点的金字塔单元和15节点的五面体棱柱单元，且该单元是具有高阶的形函数，能够模拟出复杂曲面并能保证计算的精度，SOLID90单元有适当的温度协调形状，可以用来模拟曲线边界，可以对具有复杂形状的活塞进行良好的单元划分和有限元分析计算2。因此SOLID90单元十分适用于本次研究选用。 4.5活塞的网格划分对活塞进行网格划分时，首先要对网格尺寸和形状进行设定，设定单元网格尺寸主要是为了控制网格的粗细。ANSYS网格划分中有智能控制和手动控制。智能控制主要是选定单元粗细等级来控制单元数目，手动控制则是通过指定单元的边长或指定线上单元的分割数来控制单元的数目16。由于活塞的模型不是规则实体，不能够有效合理的人为设定网格尺寸，因此优先选用智能控制网格尺寸。网格划分的方法选择不可忽视。对实体模型进行网格划分时，有自由网格划分和映射网络划分两种方法，此两种划分方法各有各的优势，也各有各的不足。一般来说，自由网格划分的方法在实际应用中更为普遍一些，这是因为自由网格相比于映射网格来说对单元的形状没有过高的限制以及特定的准则要求，自由网格可以更加方便地划分任意实体17，当然，此方法不方便的一点是在求解的时候对CPU和内存的要求也较高。但是，考虑到本研究的模型并不复杂，相对简单一些，所以采用自由网格划分更为方便。该模型共有15833个单元，25190个节点，网格划分的结果如图4.3所示。 图4.3 活塞网格划分 Fig.3.3 Piston meshing 4.6活塞热对流边界条件 本文在进行分析的时候略去了热辐射换热系数，这是因为，内燃机在工作过程中，可燃气体对壁面产生的辐射换热系数比对流换热系数小很多，到了可以忽略的程度。活塞热负荷分析的关键是确定合理的热边界条件，其直接关系到了活塞温度场分析的准确性，进而决定了热应力和热变形的准确性。分析活塞的实际运行状况和现在所拥有的实验手段，要完全得到热分析的第一类边界条件或第二类边界条件，即使是知道活塞的边界温度或热流密度也几乎是不可能的，所以不论是理论分析和实验研究人们对活塞热边界条件的选取通常选用第三类的边界条件，即给定了边界的外围介质温度和换热系数。4.6.1燃气对活塞顶部的换热系数和燃气平均温度活塞与燃气之间的热交换是一个瞬态过程，这一性质特点决定了，如果想得到活塞的稳定温度场，要采用平均燃气换热系数和平均燃气温度作为第三类边界条件值，一般采用较多的是修正后的Eichelberg公式12： （3.1） 式中：表示修正系数，其值是常数，等于7.799； 表示活塞平均速度，单位是； 表示燃气瞬时压力，单位是； 表示燃气瞬间温度，单位是。确定燃气对活塞顶的平均放热系数为可以用一个循环求得： （3.2）在一个循环中，可燃气体向活塞组件顶面传递出的热量与稳态条件下该传热量相等时的燃气温度，就是燃气的平均温度（3.3）和综合平均燃气温度（3.4），公式是： （3.3） （3.4） 上式中是曲轴的转角。4.6.2活塞火力岸、裙部和活塞环区换热系数和环境温度缸套与活塞之间通过三种介质，即：活塞环、机油油膜与气体彼此相互隔开，它们之间进行的热量传递过程可以采用多层平壁传热模型进行分析，等效换热系数的算法为10： （3.4）式中：分别表示气膜、油膜、活塞环、缸套的厚； 为对应的导热系数； 表示缸套和冷却水之间的换热系数。 它的数值可以用以下公式来计算，即： （3.5）式中：表示冷却水流量，单位； 表示缸套冷却腔平均截面积。 表4.1 等效换热系数计算公式10部位名称等效换热系数计算公式火力岸第一气环槽第二气环槽油环槽活塞裙侧表面4.6.3活塞内腔换热系数在活塞的内腔中，其主要的冷却方式是采用振荡冷却和油雾冷却两种技术手段，由于振荡冷却技术方法相对比较复杂，人们更多还是把研究对象锁定为油雾冷却。实践表明，振荡冷却和油雾冷却之间的换热系数又难以用一个很准确的计算公式来确定出来。按照热平衡原理，稳态时热量的流入和流出是无差别的，这样，我们就可以使用傅里叶公式和牛顿公式来计算内腔壁面的换热系数，公式为2： （3.6）式中：表示活塞的导热系数； 表示活塞顶中央位置至正下方活塞内腔的壁厚； 表示活塞顶的平均温度；表示活塞内腔平均温度； 活塞内腔下方油雾的温度。 根据以上所有的公式和表格，可以得到活塞的第三类边界条件，如表4.2所示： 表4.2 活塞热边界条件边界对应区域环境温度（）边界换热系数活塞顶部1100430 火力岸180900燃烧室周面1100350地圈300中心面270第一气环上沿1201163内沿930下沿1396第一环岸110175第二气环上沿100814内沿814下沿930第二环岸100175油环槽上沿951400内沿900下沿1500裙部80300内腔上部902300内腔中部1400内腔下部1504.7活塞的温度场分析众所周知，发动机的活塞一直是在恶劣的受热环境底下运行的，从某种意义上讲，发动机的使用可靠性是受活塞的使用可靠性直接影响的。那么，活塞的热状况就成了要重点分析的因素，因此我们需要分析出其温度的分布是否合适，以及活塞的热状态情况，并由此得出计算活塞热变形及热应力的原始数据，对研究活塞的使用可靠性很有意义18。研究活塞的热状态，最重要的是分析活塞顶的最高的温度，它因为气缸的直径大小而不同，直径越大则温度越高。不仅如此，加之大缸径活塞的壁相比小缸径更厚，导致内外壁面的温差会更大，从而在活塞的内部会因此产生非常大的热应力。当然在分析时活塞的热状态中的第一环槽的温度数值也是需要非常重视的。如果第一环槽温度过高的话，导致的结果是：一方面会使环槽部分的材料强度逐渐降低，加快环槽的磨损，另一方面还会影响气环的密封性，还有较严重的是会使得环带处润滑油结胶、结碳，最严重情况甚至使活塞环卡死在环槽里，引起漏油和串油12。现在，根据前面已经建立起的有限元模型，在有限元分析软件ANSYS的稳态热分析模块中施加得出的边界条件，经过计算后，在后处理中得到了一系列结果11，如图4.5所示： 图4.5 活塞温度场分布云图 Fig.4.5 Temperature distribution cloud chart of piston然后就能够得出活塞的三维扩展温度分布云图，如图4.6所示。 图4.6 活塞三维扩展温度分布云图 Fig.4.6 Temperature distribution cloud chart of piston three dimensional expansion从活塞的温度场分布云图可以看出：（1）整个活塞大体上的温度分布是不均匀的，这种不平衡大体趋势是由上而下逐渐降低的一种状况，在反复地变化的燃气温度的作用下，活塞顶部的温度分布数值上是最大的，位于活塞顶面和燃烧室处，活塞的最高温度值是651.406。出现在活塞裙部底部的最低温度值是89.96。在活塞火力岸处，温度数值在。对于第一环槽处温度，其值在之间，不会因为温度过高而使发动机运动受到影响。（2） 活塞顶部的温度较高的主要原因：在内燃机中燃料燃烧的瞬时，释放出大量的热能，并随之产生很大的爆发压力，因为活塞的顶面与之直接，这必定会造成温度大幅度攀升。（3）活塞裙部的温度值较低，主要原因是从环区以下的部分，活塞环阻挡了高温燃气，热量传递较小。5活塞的热应力分析 本文研究热应力对活塞的约束条件为在模型对称面上施加对称位移约束。根据上章对活塞温度场的分析结果如图3.4所示，可以看出整个活塞的温度场分布状况总体来说是趋近合理的。本章主要是在活塞的温度场分布的基础上再对其进行热应力的分析，温度场和热应力分析所用的有限元模型必须是一致的才能得到合理正确的结果。 本文研究对象需要的物性参数如表5.1所示： 表5.1 活塞材料属性参数属性参数材料铝合金弹性模量（）7.20E+10泊松比0.3密度（）2.70导热系数（）130线膨胀系数2.1E-05 为消除位移对计算结果的影响，采用温度场分析时所用的有限元模型，并在活塞的应力计算时给定约束。将温度载荷由温度场分析计算的结果直接导入到应力场中进行计算，由此即可得到相应的活塞热应力云图和热变形云图，如图5.1所示。 图5.1 热应力云图 Fig.5.1 Heat stress cloud chart 图5.2 热变形云图 Fig.5.2 Heat deformation cloud chart（1） 如热应力云图5.1所示，我们不难看出热应力数值比较大的部位在活塞中的分布主要为：活塞顶部与燃烧室的接触处、燃烧室周围、第一环槽等。热应力最大值是70.2MPa。在第一环槽处的热应力较大的原因无外乎，此处的温度较高，高温的可燃气体会直接作用于此处，形成大量的热量传递和交换。而环槽的上部和环槽的下部由于温度的变化比较大，因此会造成比较大的热应力值。（2） 如热变形云图5.2所示，热变形的最大变形量为0.52526mm，可以明显看出最大变形量出现在了活塞顶部的温度比较高的一侧和燃烧室中心，此外加之活塞材料具有一定的塑形弹性特征，会使得变形的程度是比较的明显。这就是我们分析热负荷在单独作用下的计算结果得出的基本结论。燃烧室发生热变形的分布大体上和温度场的分布是一致的。造成活塞顶部变形量较大的原因是活塞头部的温度较高的缘故，而因为活塞裙部的温度是相对较低的则其变形也比较小。于是可以看到活塞整体的变形是活塞头部大裙部小的趋势。 6结论和展望6.1结论本文利用UG软件绘制活塞的实体模型，利用ANSYS软件采用有限元分析方法分析计算了活塞温度场和热应力场，得到以下三个结论： （1）在三维制图软件UG中建立有限元分析所需要的实体模型时，不能忽视有限元分析法对几何模型的具体要求，对一些很细小而且不影响分析结果的结构可以忽略。（2）通过以上对活塞的温度场分析可以知道，在活塞整体的温度分布中，其最高的温度处于与燃气直接接触的活塞顶部以及燃烧室，最高温度是651.406，最低温度是89.96，且总体上是自上而下逐渐降低的。（3）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，严重时将造成拉缸等。因此需要考虑如何降低环槽去的温度，特别是第一环槽的温度。（4）活塞的轴向温差较大，而且是非线性的，所以需要进一步优化设计。（5）在热负荷的作用下，活塞的会相应地产生热应力和热变形。由云图可以看出，最大热应力和最大变形量分别是70.2MPa和0.52526mm，可见活塞在热负荷的作用下变形和应力数值不会影响发动机的可靠运行，满足工作要求。6.2工作展望因为对于有限元分析领域的知识储备不足，以及受到计算工具和时间的限制，本论文对于柴油机活塞的分析计算还存在着许多的不足之处，在以后的活塞有限元分析中还应该考虑许多方面的问题。 （1）在热分析中，对于活塞热边界条件的计算还是基于一些经验公式，同时也采用了一些简化处理，实际的传热过程是非常复杂的，而不仅仅是第三类边界条件就能满足计算要求的。 （2）没有对活塞在工作情况下所受的机械载荷进行计算分析，并将热负荷和机械负荷在耦合场中计算分析，与实际中的活塞的运行情况是有差距的，期望在以后的分析中考虑进去。 （3）在此次的分析中并没有把所有内容综合考虑进去，得出的结论还是有待改进的。希望在以后的工作和学习中能够将活塞的有限元分析研究做的更加深入细致。致 谢在刚刚开始着手写论文时，由于之前对该领域缺乏相关的知识基础，我对该领域的认识是十分模糊和抽象的。不过经过参阅诸多