（机械设计及理论专业论文）发动机活塞销孔结构改进的有限元分析.pdf

中北大学学位论文 发动机活塞销孔结构改进的有限元分析 摘要 随着发动机功率的提高，活塞的工作条件愈加严酷，高的机械负荷和热负荷常常导 致活塞销座开裂、环槽早期磨损、顶面烧损以及燃烧室喉口边缘开裂等故障。因此有必 要对活塞进行有限元计算分析，弄清活塞的机械应力分布规律，为改进设计提供依据。 如何能设计出合理的活塞结构，确保活塞在工作状态下，最大限度地提高活塞的可靠性， 己成为活塞设计的技术关键。 本论文针对某发动机活塞，利用i - d e a s 有限元分析软件，建立活塞组的实体模型， 计算了活塞的机械应力与变形，得出了活塞销孔内侧表面应力集中情况，在此结论的基 础上提出了活塞销孔结构改进设计的方案。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 对目前活塞销孔的失效模式，销孔的结构设计进行了归纳，分析总结其规律 性； ( 2 ) 利用有限元分析软件，建立活塞组三维实体模型，考虑活塞机械载荷及约束 条件，计算了活塞的机械应力与变形，得出活塞销孔内侧应力集中，变形较大； ( 3 ) 据此提出了活塞结构改进设计措施，采用了在活塞销孔内嵌入铸铝青铜衬套 结构。针对改进设计方案进行了有限元分析，结果表明该改进方案使得活塞销孔内侧的 应力趋向均匀，改善了销孔的应力集中现象，降低了销孔表面应力峰值，为今后研究活 塞销孑l 结构设计具有一定的指导意义。 关键词：发动机，活塞，有限元分析 中北大学学位论文 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fp i s t o np i nh o l ee n g i n e st oi m p r o v e s t r u c t u r e a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s ei ne n g i n ep o w e r ，t h ew o r k i n gc o n d i t i o n so f p i s t o nb e c o m ei n c r e a s i n g l y h a r s h h i 曲m e c h a n i c a ll o a da n dt h e r m a ll o a do f t e nl e a dt oc r a c k i n go fp i s t o np i ns e a t ，r i n g g r o o v eo fe a r l yw e a ra n dt e a r ，t o po ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rt h r o a tb u ma sw e l la st h ee d g e o ft h em o u t h ，s u c ha st h e r m a lc r a c k i n gf a i l u r e t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt od ot h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ep i s t o n ，c l a r i f yd i s t r i b u t i o no ft h e r m a ls t r e s sa n dm e c h a n i c a ls t r e s so f t h ep i s t o n st op r o v i d eab a s i sf o ri m p r o v i n gt h ed e s i g n h o wc a nd e s i g nar e a s o n a b l ep i s t o n s t r u c t u r et oe n s u r et h a tt h ep i s t o ni si nt h ew o r ko fs t a t ea n dt om a x i m i z et h er e l i a b i l i t yo ft h e p i s t o nh a sb e c o m eak e yt e c h n o l o g yo fp i s t o nd e s i g n t h i sp a p e r ，f o rap i s t o ne n g i n e ，u s e si - d e a sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et oe s t a b l i s h t h ee n t i t ym o d e lo fp i s t o na n dc a l c u l a t et h em e c h a n i c a ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fp i s t o na n d d r a w st h ei n n e rs u r f a c es t r e s sc o n c e n t r a t i o no ft h ep i s t o np i nh o l e a tt h eb a s i so ft h i s c o n c l u s i o ni tp r o p o s e st h ep r o g r a mt oi m p r o v et h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ep i s t o np i nh o l e t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) i ts u m m a r i z e st h ec u r r e n tf a i l u r em o d e sa n dt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ep i a o np i n h o l ea n da n a l y z e si t sr e g u l a r i t y ； ( 2 ) i tu s e st h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，e s t a b l i s h e st h r e e d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e lo ft h ep i s t o ng r o u p ，c o n s i d e r st h em e c h a n i c a ll o a da n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o no f t h ep i s t o n ，c a l c u l a t e sm e c h a n i c a ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fp i s t o nt o p o i n to u tt h a tt h e p h e n o m e n o no fi n s i d ep i s t o np i nh o l es t r e s sc o n c e n t r a t i o n ； ( 3 ) i tp r o p o s e sm e a s u r e so fi m p r o v i n gp i s t o ns t r u c t u r ed e s i g na n da d o p t st h es t r u c t u r eo f 中北大学学位论文 c a s ta l u m i n u mb r o n z ee m b e d d e di nt h eh o l ei nt h ep i s t o np i nb u s h i n g t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i si sc a r r i e do u tw h i c ha i m sa ti m p r o v i n gt h ed e s i g no fp r o g r a m s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o g r a mh a sm a d et h es t r e s si n s i d et h ep i s t o np i nh o l et e n dt o b ee v e n ，i m p r o v e ds t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o no ft h ep i nh o l ea n dr e d u c e dt h es u r f a c e s t r e s sp e a ko ft h ep i nh o l ea n dt h e y p o s s e s ss o m eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o r t h ef u t u r es t u d yo f t h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h ep i t o np i nh o l e k e y w o r d s ：e n g i n e ，p i s t o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 压盗蓝 日期： 丞2 翌：皇。自 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：皿n i 日期毕业 导师签名：二鳝托廷日期：导师签名：监托k日期： 中北大学学位论文 1 1 概述 1 绪论 对制造企业而言，机电产品具有足够的工作可靠性意味着客观的经济效益和竞争力 方面的优势及其企业能够长期顺利发展的坚强后盾。国际上，每年因产品结构设计不合 理的原因造成大量机电产品在有效寿命期内报废，甚至造成严重恶性事故：在我国，由 于综合经济能力的原因，疲劳耐久性和可靠性不过关造成的产品问题更是普遍存在，严 重影响了国内制造产品的国际竞争力。 内燃机作为一种热能动力机械，它通过曲柄连杆机构的旋转运动，将化学能转化为 机械能。在这个运动副当中，活塞的可靠性至关重要。活塞是发动机的首要动力源零件， 发动机燃烧系统瞬间爆发并释放的热能首先通过活塞转换为机械能，即通过活塞的往复 非匀速直线运动，传递到连杆和曲轴转化为旋转运动，从而使发动机输出扭矩和功率。 活塞直接面对发动机的爆发压力，承受交变的热负荷和机械负荷，对于高性能柴油机活 塞来讲，交变频率一般在1 6 5 0 h z 。尤其随着发动机强化程度的提高，功率的增大和转 速的增加，活塞工作环境变得更加恶劣了。 内燃机工作时，各零件之间存在着多种运动形式，而且有的大运动组件之中还包含 着微小的运动，在曲柄连杆机构中，活塞和缸套之间的往复运动过程中，就同时存在着 活塞销和销孔之间的旋转运动、活塞环和活塞环槽之间的旋转运动，这些零件间虽然没 有很高的相对运动速度，但是存在着很大的作用力，这样，在相互接触之间就会产生接 触应力和切向运动阻力一摩擦力，因而会造成摩擦损失，严重时，会在摩擦力的作用下 造成零件的损坏。 一般情况下，内燃机的机械效率为7 5 9 0 ，有1 0 - 1 5 的功率消耗在摩擦损失上， 摩擦力导致内燃机的有效效率下降、零件的温度升高、材料机械性能下降等：摩擦还使 各相互配合的零件材料机体表面磨损，造成接触不良，间隙增大，产生振动和噪音，降 低了使用寿命，摩擦对内燃机的影响是不可低估的。 由于工作环境的关系，活塞是发动机中的易损件，活塞的典型破坏形式可分为活塞 中北大学学位论文 热疲劳破坏及机械疲劳破坏等。对增压柴油机而言，随着排放标准的提高，发动机的爆 发压力越来越大。 活塞销与销孔之间既然有相互运动且存在相互作用力，就一定存在摩擦力。这种摩 擦力，虽然对内燃机的有效效率没有多大的影响，但是，如果活塞销孔处的温度过高( 活 塞销孔温度超过1 8 0 0 。c ，活塞销与销孔之间的接触应力过大，就会破坏了二者之间存在 的润滑油膜，使销孔表面和活塞销在局部形成干摩擦，将有可能导致活塞销孔表面拉毛、 拉伤，使之不能正常工作：同时作用在销孔上机械应力过大，而此时活塞材料在高温下 性能下降，有可能使活塞销孔产生裂纹，严重时会导致活塞销孔开裂、破碎，甚至损坏 发动机机体。 如何分析、设计活塞销孔的结构，使活塞销孔在高温、高压、高频次的往复运动中 保持良好的承载能力和工作状态，最大限度的确保活塞的耐高温性能和热稳定性能，最 大限度的提高活塞的可靠性，是活塞设计中的技术关键。近年来，随着发动机向高排放、 大马力方向的发展，活塞的可靠性已成为发动机整机可靠性的关键环节，而确保活塞工 作可靠的关键又在于活塞销孔的工作可靠性，因此，活塞销孔的结构设计己成为发动机 设计者乃至活塞设计工作者必须首要考虑的问题，活塞的销孔座及销孔表面的结构设计 问题必须引起人们的高度重视。 1 2 国内外研究现状 基于计算机技术发展和应用的普及，目前国外公司对活塞的机械疲劳研究多采用对 比发动机耐久试验与活塞液压脉冲疲劳试验数据，以计算机仿真建模和有限元计算为支 持，模拟热负荷及机械负荷等对活塞结构的影响，计算活塞的热机械应力，判定活塞的 可靠性能。但由于技术保密的原因，国外研究机构对2 0 世纪末期以后的活塞机械疲劳 可靠性研究及相关文献处于保密状态，活塞材料s - n 曲线规律、新材料的研制、机械疲 劳研究中的新技术等鲜见相关的文献报道d 1 。在与国外公司的走访与交流中了解到，尽 管破坏机理上还有许多问题至今尚未完全明确，但并不影响对活塞试验、计算及理论的 研究。 国外对活塞销孔机械疲劳可靠性的试验研究包括发动机耐久性试验及活塞液压脉冲 2 中北大学学位论文 疲劳试验两种形式，部分研究机构还进行了销座部位的应力测试工作。国内外发动机公 司对发动机强化试验的考核也有所不同。英国w e l l w o r t h 公司以1 1 0 标定功率运转5 0 0 小时，然后再进行5 0 0 小时1 1 0 最大扭矩试验，考核活塞销座、燃烧室边缘等部位是否 出现裂纹；日本小松制作所对工程机械用柴油机进行了强化对比试验，柴油机以标定工 况运转8 0 0 0 小时后活塞销座出现裂纹，当以1 2 0 负荷运转时，2 3 0 0 小时活塞销座就出 现了裂纹。国内各发动机公司及国家标准也有相关的试验考核规范。与发动机耐久性试 验相比，考虑到高效、节能及便于分析的特点，国外各活塞专业公司更倾向于采用活塞 液压脉冲疲劳试验来考核销座的可靠性。 活塞液压脉冲疲劳试验系统内的活塞由活塞销和连杆支撑，用两个独立油压控制系 统对活塞施加脉动载荷，一个位于活塞顶部模拟气体压力，另一个位于活塞下侧模拟惯 性力。z o l l n e r 公司对柴油机活塞销孔可靠性进行的试验研究表明，采取滚压销孔表面 工艺的活塞疲劳极限比圆柱形销孔提高6 3 ，锥形活塞销孔结构的活塞疲劳极限较圆柱 形销孔可提高6 0 ，增加销孔椭圆度或采用减压弧结构对提高活塞销孔的疲劳极限影响 甚小。 1 3 本课题研究的意义 国外先进的增压柴油机最高爆发压力已达2 5 m p a 以上，国内的制造的增压柴油机的 最高爆发压力也已达1 8 m p a 以上，并且向更大的趋势发展。活塞在气缸内工作时，活塞 顶面承受瞬时高温燃气作用，最高燃气温度可达2 0 0 0 2 5 0 0 。活塞长期在高温高压的 环境下工作，承受高温及机械交变负荷，活塞销座部位更容易发生由于温度与承受压力 过大而引起的销座咬死及机械负荷过大引起销座开裂现象，甚至整个活塞破碎，损伤率 远远大于其他部件。 活塞销与活塞销座之间既然有相互运动且存在相互作用力，就一定存在摩擦力。这 种摩擦力，虽然对发动机的有效效率没有多大的影响，但是，如果活塞销座处的温度过 高( 活塞销座温度超过1 8 0 ) ，活塞销与销座之间的接触应力过大，就会破坏了二者之 间存在的润滑油膜，使销座表面和活塞销在局部形成干摩擦，将有可能导致活塞销孔表 面拉毛、拉伤，使之不能正常工作。同时作用在销座上机械应力过大，而此时活塞材料 中北大学学位论文 在高温下性能下降，有可能使活塞销座裂纹，严重时会导致活塞销座开裂、破碎，甚至 损坏发动机机体。 如何分析、设计活塞销座的结构，使活塞销座在高温、高压、高频次的往复运动 中保持良好的承载能力和工作状态，最大限度的确保活塞的耐高温性能和热稳定性能， 最大限度的提高活塞的可靠性，是活塞设计中的技术关键。近年来，随着柴油机向高排 放、大马力方向的发展，活塞的可靠性已成为发动机整机可靠性的关键环节，而确保活 塞工作可靠的关键又在于活塞销座的工作可靠性，因此，活塞销座的结构设计已成为发 动机设计者乃至活塞设计工作者必须首要考虑的问题，活塞销座表面的结构设计问题必 须引起人们的高度重视。 当发动机爆发压力确定时，作用在活塞销座上的压力值已确定。对于高增压柴油机， 销座处的应力值己超过了6 5 m p a 以上。为了防止活塞销座开裂，降低销座内侧上缘的比 压，防止该处应力集中而疲劳损坏，同时为了增加销座处的储油，加强润滑。就只能通 过改善销座表面的结构设计来均匀分布压力，使作用在活塞销座表面各处的压力基本一 样，避免在局部出现应力集中而导致活塞销座开裂。 1 4 本课题的研究内容和方法 本课题的研究内容和方法： ( 1 ) 利用有限元模拟分析技术，研究分析活塞销座的受力和变形情况； ( 2 ) 活塞变形主要是因各部位的温度分布不均，在燃气压力及活塞往复惯性力、 侧推力等机械负荷的作用下产生。通过建立三维有限元分析模型，合理确定机械载荷、 及约束条件，利用分析技术，预测活塞销座表面承受机械负荷以及变形情况，为活塞销 座的结构设计提供依据； ( 3 ) 选定活塞销座的外形结构后，针对活塞销孔结构改进设计，对改进前后的表 面结构设计进行模拟计算，对结果进行分析对比，得出不同的结构设计对活塞销座承载 能力的影响； ( 4 ) 对影响活塞销孔机械应力和改善活塞销座可靠性的结构参数进行分析，在此 基础上，提出更为准确的、符合现代发动机活塞销孔在工作状态下的变形理论。 4 中北大学学位论文 1 5 本章小结 由于铝硅合金具有轻质量密度的特性，该材料在发动机活塞领域至今仍占据着重要 的地位。铝硅合金活塞的机械疲劳可靠性影响着发动机的使用寿命。采用合理的结构提 高活塞的可靠性，降低生产制造成本，提高发动机的机械效率，满足日益苛刻的排放法 规要求等，是活塞新产品设计所追求的目标。针对活塞可靠性问题进行深入的理论研究、 试验与计算研究，降低活塞的机械疲劳失效，寻求优化设计方案，提出提高活塞结构可 靠性的措施及较为实用的活塞疲劳试验方法与寿命评价方法，同时避免过于保险的产品 设计，降低制造成本，不仅具有重要的理论意义，而且具有显著的实际应用价值。本文 在有限元分析的基础上，对铝硅合金活塞的应力问题展开了综合性的研究。研究表明， 在日趋提高的发动机高温高压工作条件下，尽管活塞用硅铝合金的承载能力已经接近于 或达到了材料的疲劳极限，但是如果通过采取产品结构优化的方式，仍然可以有效的达 到降低产品的生产成本、提高发动机可靠性并确保发动机机械效率的目的。 活塞销孔是活塞结构中承载最大机械应力的部位。销座的弹性模量仅为活塞销的左 右，却要承受活塞销的挤压及椭圆变形作用。活塞销座的失效形式一般为高周疲劳失效， 爆发压力及结构设计的合理性是影响活塞销座可靠性的主要因素。 中北大学学位论文 2 有限元法与i - d e a s 软件概述 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工 作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建立正确、合 理的有限元模型，这里介绍划分网格时应考虑的一些基本原则。 2 1 有限元方法概述 有限元方法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 简称f e m ，作为求解数学物理问题的一种数 值方法，已经历了6 0 余年的发展。经过半个多世纪的发展，f e m 已从弹性力学平面问题 扩展到空间问题、板壳问题，从静力问题扩展到动力问题、稳定问题和波动问题，从线 性问题扩展到非线性问题；从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他连 续介质领域；从单一物理场计算扩展到多物理场的耦合计算。 它经历了从低级到高级、从简单到复杂的发展过程，目前已成为工程计算最有效的 方法之一。有限元法的主要优点为：物理概念清晰；可以从不同的水平建立对该法的理 解；适应性强、应用范围广；已经出现了许多大型的结构分析通用程序，可直接应用。 f e m 的研究热点目前表现在两个方面：超收敛应力计算和有限元模型修正技术。 有限元方法的实质是用有限个单元体的组合代替连续体，化无限自由度问题为有限 自由度问题；是用有限子域的组合代替一个连续域，化连续场函数的微分方程求解问题 为有限个参数的代数方程组求解问题。对于大多数形状和边界条件复杂的工程问题，要 想获得问题的解析解答是不可能的，只能寻求各种近似的数值方法，而有限元方法是一 种行之有效的数值分析方法。 在使用有限元方法对所要研究的连续体进行计算分析时，要将研究的连续体划分为 若干个有限大小的子区域，即有限元。在对单元进行分析时，首先假定单元内部位移为 结点位移的简单雨数建立单元的结点位移和结点力之间的关系，其次将这些单元组合 成为整体引入边界条件，通过求解整体结点力和结点位移关系的代数方程组，最终得 到连续体在离散点处未知量( 位移和应力) 的解答。 6 中北大学学位论文 2 2 有限元划分原则 ( 1 ) 网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格 数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应 权衡两个因数综合考虑。 图2 1 中的曲线1 表示结构中的位移随网格数量收敛的一般曲线，曲线2 代表计算 时间随网格数量的变化。可以看出，网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高， 而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提 高甚微，而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以 比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反 则停止计算瞄1 。 图2 1 位移精度和计算时间随网格数量的变化 在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的 变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对 较多的网格。同样在响应计算p ，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。在 计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，如果计 算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。 ( 2 ) 网格疏密 网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布 特点。在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为了较好地反映数据变化规律， 需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应 划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。 图2 2 是中心带圆孔方板的四分之一模型，其网格反映了疏密不同的划分原则。 7 中北大学学位论文 小圆孔附近存在应力集中，采用了比较密的网格。板的四周应力梯度较小，网格分得较 稀。其中图b ，网格疏密相差更大，它比图a 的网格少4 8 个，但计算出的孔缘最大应力 相差1 ，而计算时间却减小了3 6 。由此可见，采用疏密不同的网格划分，既可以保持 相当的计算精度，又可使网格数量减小。因此，网格数量应增加到结构的关键部位，在 次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。 划分疏密不同的网格主要用于应力分析( 包括静应力和动应力) ，而计算固有特性时 则趋于采用较均匀的钢格形式。这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚 度分布，不存在类似应力集中的现象，采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元 素不致相差太大，可减小数值计算误差。同样，在结构温度场计算中也趋于采用均匀网 格。 圈留 ( b ) ， 图2 2 带孔方板的四分之一模型 ( 3 ) 单元阶次 许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其二次和三次形式的单元称为高阶单元。 选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或曲而边界能够更好地逼近结构的 曲线和曲而边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规 则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。但高阶单元的节点数较多，在网格数 量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精 度和时间。 图2 3 是一悬臂梁分别用线性和一次三角形单元离散时，其顶端位移随网格数量的 收敛情况。可以看出，但网格数量较少时，两种单元的计算精度相差很大，这时采用低 阶单元是不合适的。当网格数量较多时，两种单元的精度相差并不很大，这时采用高阶 单元并不经济。例如在离散细节时，由于细节尺寸限制，要求细节附近的网格划分很密， 8 中北大学学位论文 这时采用线性单元更合适。 增加网格数量和单元阶次都可以提高计算精度。因此在精度一定的情况下，用高 阶单元离散结构时应选择适当的网格数量，太多的网格并不能明显提高计算精度，反而 会使计算时间大大增加。为了兼顾计算精度和计算量，同一结构可以采用不同阶次的单 元，即精度要求高的重要部位用高阶单元，精度要求低的次要部位用低阶单元。不同阶 次单元之间或采用特殊的过渡单元连接，或采用多点约束等式连接。 1 0 0 单死数挝 图2 3 不同阶次单元的收敛情况 ( 4 ) 网格质量 网格质量是指网格儿何形状的合理性。质量好坏将影响计算精度。质量太差的网 格甚至会中止计算。直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格而不过分扭曲、边 节点位于边界等份点附近的网格质量较好。网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲 量、拉伸值、边竹点位置偏差等指标度量。 划分网格时一般要求网格质量能达到某此指标要求。在重点研究的结构关键部位， 应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。而在结 构次要部位，网格质量可适当降低。当模型中存在质量很差的网格( 称为畸形网格) 时， 计算过程将无法进行。图2 4 是三种常见的畸形网格，其a 单元的节点交叉编号，b 单 元的内角大于1 8 0 。c 单元的两对点重合，网格面积为零。 4 3 # ii ( c ) 2 图2 4 几种常见的畸形网格 9 中北大学学位论文 ( 5 ) 网格分界面和分界点 结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、物理特 性、载荷和位移约束条件。即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让边界条件来适 应网格。常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几尺寸突变面分布载荷分界线( 点) 、 集中载荷作用点和位移约束作用点等。 图2 5 是具有上述几种界面的结构及其网格划分形式。 图2 5 特殊界面和特殊点网格划分 ( 6 ) 位移协调性 位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。为保证位移协调， 一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。相邻单元的共 有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间须用多点约束等式或约束单元进行约束 处理。图2 6 是两种位移不协调的网格划分，图a 中的节点l 仅属于一个单元，变形后 会产生材料裂缝或重叠。图b 中的平面单元和梁单元节点的自由度性质不同，粱单元的 力矩无法传递到平面单元。 甲面 图2 6 位移不协调的网格划分 l o r 粱单，c 盏 舜 中北大学学位论文 1 ) 网格布局 当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性( 如 集中质矩阵对称) 。不刘一称布局会引起一定误差，如在图2 7 中，悬臂粱截面相对y 轴对称，在对称载荷作用下，自由端两对称节点1 、2 的挠度值本应相等。但若分图b 所不对称网格，计算出的y 。= o 0 3 4 6 ，y z = o 0 3 5 0 。若改用图c 所示的网格，则y 。和y 。 完全相同。 仨j ：利2 鲡 ( a j l b ) ( c j 图2 7 网格布局对计算结果的影响 2 ) 节点和单元编号 节点和单元的编号影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存储容 量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。但对复杂模型和自动分网而言，人为 确定合理的编号很困难，日前许多有限元分析软件自带有优化器，网格划分后可进行带 宽和波前优化从而减轻人的劳动强度。 2 3i - d e a s 软件简介 由美国s d r c 公司研制的i d e a s 软件( i n t e g r a t ed e s i g ne n g i n e e r i n ga n a l y s i s s y s t e m ) 是一个集设计、分析、测试及加工于一体的软件，由于该软件基于w i n d o w sn t 和u n i x 平台的强劲的稳定性，已成为许多公司首选的产品开发设计软件。i d e a s 软件 利用共享的应用数据库和通用的用户接口将零部件装配模块、机构分析模块、有限元分 析模块、数控编程模块、测试数据模块、动态设计模块、仿真分析模块、数据管理等模 块通过主模型( m a s t e rm o d e l e r ) 实现完美的集成n 1 3 1 ，如图2 8 所示： 中北大学学位论文 实体建模模块 ki 开放系统l l 数控编程模块 零部件装配模块测试数据分析模块 机构分析模块卜_ 1主模型于1 动态设计分析模块 有限元分析模块 仿真分析模块 = 维工程制图模块rl 教据管理系统l 、1 优化设计模块 图2 8i - d e a s 模块关系图 i - d e a s 软件实体造型( m a s t e rm o d e l e r ) 任务中，零件实体造型可以大致分为三步： 绘制二维草图，利用d i m e n s i o n 或者加约束；特征操作形成实体；放入抽屉并命名。复 杂零件是在建立简单零件实体后不放入抽屉，而进行以下操作：建立参考平面( 参考线、 参考坐标系等) ；选取工作面，绘制二维草图，加约束；特征操作形成实体：布尔运算、 阵列、倒角、抽壳等修饰；放入抽屉并命名。 在i d e a s 软件的设计模块( d e s i g n ) 中，系统的图形窗口有缺省的工作平面，可 以在此平面直接开始绘制二维草图，通过修改尺寸或相对关系( 如平行、垂直) 形成约 束，若线框为无约束、部分约束和全约束状态时，界面显示的线条颜色会有所不同：分 别为绿色、黄色和蓝色n 4 m 引。 i - d e a s 的造型( m a s t e rm o d e l e r ) 模块是基于特征的变量化实体造型系统，提供特征 操作和特征管理，基本的特征操作有拉伸、旋转、倒角、阵列等。进行特征操作，输入 参数后，确定即可完成实体造型，如图2 9 所示。 1 2 中北大学学位论文 口rr i i t l “_ i = 因r 售 l 型! ! 竺! ! 目 e = ：= ；：。 电 l o= o e 。：。 p 埘 乎 f 篇= - 0 自自a 露罄目明 i 群 凹29id e a s 软件的草图绘制、特征操作及抽屉管理 对于一些简单的零件，完成上述操作就完成了该零件的实体建模任务，就可以放 入抽屉中，再继续进行其它零件的实体建模任务。id e a s 的管理抽屉是一个很好的工具， 可以很方便地存取文件模型，需要哪一个就从抽屉中取出，随意修改，不会受工作台的 影响。 对于复杂结构，除了上述基本操作外，软件还提供了布尔运算功能，在两个不同的 实体间进行j o i n ( 合并) 、c u t ( 切除) 、i n t e r s e c t ( 取公共部分) 等操作。另外，通过 历程树( h i s t o r ya c c e s s ) ，可以到创建零件的造型过程中去修改。历程树记录了模型的 所有特征操作信息，可以对特征进行浏览、重新排序、插入、删除和抑制等操作。如图 2 1 0 所示 + d d i ；：_ ：_ ! ：。一，4 1 - 带一e l e 3 矿oo 图21 0id e a s 软件历程树 j 卿一t t t t ， ， 盈0肛ll锄占移 堑堤_；r毋 娈0 h 多聪 菁 中北大学学位论文 在i d e a s 软件工作平台上建好实体模型后，利用s i m u l a t i o n ( 仿真模块) ，分别进 入子任务m e s h i n g ( 网格) 、b o u n d a r yc o n d i t i o n ( 边界条件) 、m o d e ls o l u t i o n ( 模态 求解) 中，设置参数及算法，对发动帆机体及其主要零部件进行冈格划分和模态分析， 大体操作步骤如下： ( 1 ) 模块区选择s i m u l a t i o n 模块，子任务先选择m e s h i n g 。在其操作图标中选 择a u t os e t t i n g ，点击打开后，出现一个创建分析模型的任务，确定新建模型，随后出 现a u t o m a t i cm e s hc h e c k i n g 区，内部设置了对网格各种参数的自动检查功能，包括单 元扭曲度，狭长比质量参数等几项。如图2 1 l 所示： o 日圈 r - 中，n 3 p ucal “ 图2i 1i d e a s 软件中的网格划分任务 ( 2 ) 选择操作匣标中的d e f i n es o l i dm e s h i n g ，对实体进行单元网格划分，对话 框中提示，需要选择f r e e o p t i o n ( 自由模态分析) 、e l e m e n tl e n g t h ( 单元长度) 、e l e m e n t t y p e ( 单元类型) 以及m a t e r i a l ( 材料) 等，然后点击右下角的网格预览，若不成功则 改变某些参量，选择k e e pm e s h 即可实现网格划分。见图21 2 所示 ( 3 ) 子任务换到b o u n d a r yc o n d i t l o n ( 边界条件) ，选择“边界条件设置”操作， 新建一个条件选择l a n c z o s 算法。 中北人学学位论文 雹豳圈啊 l 嚣。| l 一j ”r “ q 一 厂j l = 一 一一 i 网= 二口 _ j ，” 则删 蘧 圈2 1 2 阿格划分对话框 ( 4 ) 子任务换到m o d e ls o l u t i o n ( 模态求解) 选择“模态求解设置”操作，新建 一个求解任务，选择需要模态分析的阶次，频率范围等。再选择“s o l v e ”操作进行模 态分析，获得实体所在阶次的固有频率和振型，通过比较进行收敛性分析，确定分析所 需的合适的单元类型及尺寸。 24 本章小结 1 、划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，所划分的网格形式对计算精度和 计算规模将产生直接影响。建立正确、合理的有限元模型应考虑的基本原则。 2 、i d e a s 软件是一个集设计、分析、测试及加工于一体的软件， id e a s 软件利 用共享的应用数据库和通用的用户接口将零部件装配模块、机构分析模块、有限元分析 模块、数控编程模块、测试数据模块、动态设计模块、仿真分析模块、数据管理等模块 通过主模型( m a s t e rm o d e e r ) 实现完美的集成。 中北大学学位论文 3 活塞失效形式分析及改进销孑l 结构设计的可行性 活塞是发动机将燃料燃烧释放出的热能转换为机械能的关键零件之一，它同时承受 着发动机燃烧所产生的气体爆发压力、曲柄旋转运动而产生的往复惯性力、活塞在缸套 中运动时缸壁对其裙部的侧推力以及活塞本身因吸收气体燃烧释放出的热能发生温度 变化而产生的热应力等。基于恶劣的工作环境和复杂的受力状况，活塞的设计开发必须 同时考虑传力、传热、导向、密封、轻量化和减摩耐磨等诸多因素。 3 1 活塞销座的失效形式与问题分析 由于发动机活塞大多在随机载荷下工作，其结构破坏主要属于疲劳失效。随着市场 竞争的日趋激烈及用户对产品可靠性性能的严格要求，研究提高活塞机械疲劳可靠性的 问题成为摆在研究工作者面前的重大课题。只有首先保证发动机可靠性，发动机的经济 性、排放等指标才有实际意义。活塞是发动机的首要动力源零件。燃烧系统内的高温燃 气瞬间燃烧爆发并释放的热能首先通过活塞转换为机械能，即通过活塞的往复非匀速直 线运动，传递到连杆和曲轴转化为旋转运动，从而使发动机输出扭矩和功率。在发动机 零部件的损伤事故调查中，活塞故障损伤率较高，其中由于负荷过大或结构薄弱等原因 易导致销座疲劳开裂及环岸疲劳断裂等事故。 活塞销孔的失效模式主要有乜1 缘2 3 1 ： ( 1 ) 销孔表面拉毛，主要是由于活塞销与销孔表面之间的润滑油膜破坏，首先在 销孔表面的加工刀纹的波峰处产生，继而扩展到整个活塞销孔表面，如图3 1 所示。这 种失效模式主要发生在活塞的初期磨合阶段： 1 6 中北人学学位论文 蔫姆 、 ，一，7 幽3 i 销孔表面拉毛 ( 2 ) 销孔开裂，主要是由于作用在活塞销处的机械应力过大。超过了活塞材料的 抗拉强度及屈服疲劳强度所至。随着发动机的运转，先在销孔上方出现微裂纹，进而扩 展到整个销孔以至于活塞，如图32 所示 霸 髫 图32 销孔开裂 ( 3 ) 销扎破碎，是销孔开裂更深层次的失效。主要是由于作用在活塞销孔处的机 械应力过大，超过了活塞材料的抗拉强度及屈服疲劳强度，同时过大的机械应力也破坏 了活塞销孔表面的润滑油膜，活塞销孔表面先被托毛，失效继续扩展，直到活塞销和销 孔之间咬死，再在顶部压力的作用下，销孔开裂并发展到整个销孔座破碎。这足活塞销 孔失效模式中最严重的种，也是危害最大的，严重时活塞销子失去控制，轴向窜出打 碎缸套以至缸体，导致整个发动机报废，如图33 所示。 中北大学学位论文 图33 销孔破碎 ( 4 ) 销孔内、外侧烧熔，并且直延伸到活塞燃烧室。这是高增压内冷却油腔活 塞一个典型的失效模式( 如图34 ( a ) ，( b ) ) ，主要原因是作用在活塞销孔上应力过大， 而同时活塞销孔表面结构的设计不合理，应力不能平均分部到整个销孔表面，局部出现 应力集中。在活塞的工作过程中，应力集中部位首先产生微裂纹，随着时间的推移，裂 纹逐步扩展整个销孔表面，并向上扩展到内冷却油腔，这样，活塞的整体强度降低了， 强大的燃烧爆发压力击穿活塞冷却油腔和燃烧室之间的厚度，燃气下窜，冷却油腔失去 冷却效果，高温燃气甚至内冷却油腔中的机油参与燃烧，熔化裂纹部位的铝合金，并一 直延伸到活塞销孔表面“。 图34 ( a ) 销孔外倒烧熔( b ) 销孔内侧烧熔 为适应发动机比功率和排放法规日益提高的苛刻要求，活塞面临着更高机械负荷和 热负荷的严峻考验。国外部分发动机最大爆发压力已超过2 2 m p a 。伴随着爆发压力的逐 步提高，活塞销孔与活塞销的配合方式历经从过盈到半浮动式再到全浮动式用于改善 活塞销在销孔内的润滑状况：销 l 结构的发展从圆柱形到异形销孔再发展为镶青铜衬套 等结构承载能力越来越大生产成本也越来越高。 中北大学学位论文 3 2 活塞结构方案的确定 活塞销孔在高温、高压、高频次的往复运动中保持良好的承载能力和工作状态，最 大限度的确保活塞的耐高温性能和热稳定性能，提高活塞的可靠性，是活塞设计中的关 键技术。有现象表明，传统的活塞销孔设计理论己不能满足高增压柴油机对活塞销孔的 可靠性要求。近年来，国外先进的发动机公司，在开发活塞时，在活塞材料选定的情况 下，首要关注的问题就是活塞销孔结构设计。 3 2 1 活塞结构设计满足的要求 活塞是发动机中工作条件最严酷的零件，作用在活塞上的有气体力和往复惯性力， 这些都是周期性变化的，且其最大值都很大。如增压发动机的最高燃烧压力可达1 4 - 1 6 m p a ，这样大的机械负荷作用在复杂的活塞上，可能引起活塞变形，活塞销座开裂， 第一道环岸折断。活塞顶与高温燃气直接接触，使活塞顶的温度很高，活塞各部的温差 很大。温度高使活塞材料的机械强度显著下降，活塞的热膨胀量增大，从而使活塞与其 有关零件的正确配合遭到破坏。另外，由于冷热不均所产生的热应力容易使活塞顶表面 开裂。发动机活塞的热负荷比汽油机活塞更为严重，这是因为发动机活塞与燃烧气体的 对流换热比较强烈，燃烧生成的炭烟使火焰的热辐射能力增强，活塞项上的燃烧室凹坑 使活塞受热面积增大等造成的。 根据上述工作条件，活塞结构及所用材料应满足下列要求啪1 ： ( 1 ) 活塞应该具有足够的强度和刚度，合理的形状和壁厚。合理的活塞裙部形状， 可以获得最佳的配合间隙。活塞质量应尽可能的小； ( 2 ) 受热面小、散热好。高强化发动机的活塞应进行冷却； ( 3 ) 活塞材料应该是热膨胀系数小、导热性能好、比重小，具有较好的减摩性和 热强度。 3 2 2 活塞材料的选择 1 、现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广泛采用铝合金活塞，只有少数汽车发动 1 9 中北大学学位论文 机上采用铸铁或耐热钢活塞。 铝合金的优点是比重小，约为铸铁的1 3 ，因此铝合金活塞质量轻，在发动机工作 时产生的往复惯性力小。铝合金的另一个优点是导热性好，其导热系数约为铸铁的3 - - - 4 倍。因此铝合金活塞工作温度低，温度分布均匀，对减小热功当量应力、改善工作条件 和延缓机油变质都十分有利。铝合金的缺点是热功当量膨胀系数大，另外当温度升高时， 其机械强度和硬度下降较快。通过结构设计和调整材