ANSYS活塞温度场分析全过程.docVIP

目录1 概述- 22 CATIA建模过程- 33 ANSYS分析过程- 104 结果分析-145 参考文献- 151. 概述1.1 6125柴油机活塞基本条件：缸径D=125mm，6缸。活塞是发动机的重要部件之一，与连杆构成发动机的心脏，活塞通过运动将燃气压力传递给连杆再至曲轴输出，工作时受力非常复杂。随着发动机向高速度、低能耗方向发展，采用优异的活塞材料尤为重要。目前车用发动机活塞材料以铝合金为主，其他还有铸铁、铸钢、陶瓷材料等。铝合金的突出优点是密度小，可降低活塞质量及往复运动惯性，因此铝合金活塞常用于中、小缸径的中、高速发动机上。与铸铁活塞相比，铝合金活塞导热性好，工作表面温度低，顶部的积碳也较少。活塞由活塞顶、头部、群部构成。活塞顶的形状分为平顶、凸顶、凹顶。平顶活塞结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀、多用在汽油机上；凸顶活塞顶部突起成球状、顶部强度高、起导向作用、有利于改善换气过程。凹顶活塞可改变可燃混合气的形成和燃烧，还可以调节压缩比。活塞工作时温度很高，顶部可达600 700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受的气体压力很大，特别是作功行程压力最大，柴油机活塞顶燃烧最高压力59Mpa，这就使活塞产生冲击和侧压力的作用；根据活塞实际最大爆发压力工况添加边界条件，选用压力为5MPa便于做有限元分析，此方案采用w顶活塞，用于六缸发动机2.设计的初步准备：1 选好各个值的长度2 了解6125柴油机发动机3学会catia软件建模4学会ansys软件进行对模型的温度场分析5了解发动机活塞的性能，并能做出正确分析2. 活塞主要结构尺寸计算：2.1选定各个比例系数：D=125mmH: (0.81.3)*D 取 150H1: (0.50.8)*D 取 80H2: (0.40.8)*D 取 100h1: (0.10.2)*D 取 15h3: (0.30.4)* H2 取30h4: (0.60.7)* H2 取 70d: (0.30.38)*D 取 40C1: (0.040.08)*D 取5其他环岸: (0.025 0.045)*D 取 5B: (0.350.42)*D 取44 2.3 设定其他参数： 顶部厚度:15mm 活塞度: 16mm 3.活塞三维建模： 1.首先打开catia软件，点击机械设计草图绘制器进入xy作平面进行绘制 图3.1如图3 .1 绘制之后，退出草图工作平面2.然后点击回转体按钮，绕y方向短轴旋转360 ，如图3-2,所示。 图3-24. 选择xy平面绘制如下图形 图3-35. 退出草图选择凸台对其进行拉伸，拉伸厚度为48mm如下图 图3-46. 对上述4中的图形进行凹槽，凹槽深度为22mm 图3-57. 再点击xy平面绘制圆，其半径为20如下图8. 退出草图对其进行凹槽，凹槽深度为70如图9.9绘制去重孔并对其进行凹槽深度为50mm 4ANASYS分析. 1. 将CATIA中的模型导入ANSYS： 2.单位换算： ANSYA Main Menu Preprocessor Modeling Operate Scale Volumes 选择实体，在RX,RY,RZ Scale factor 分别中输入，0.001,0.001,0.0013. 单元类型设置Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolidTet 10node 87 4.划分网格 Main MenuPreprocessorMeshingMeshtool,打开Meshtool对话框，勾选Smart Size，设定为6，点击“Mesh”按钮，选择活塞模型进行自由网格划分，如图4-1 图4-15.材料属性 活塞材料及其属性：铝合金，弹性模量为70e9，泊松比为0.3 Main MenuPreprocessor Meterial PropsMaterial ModelsThermalConductivityIsotropicKXX=160 Main MenuPreprocessor Meterial PropsMaterial ModelsFavorateIsotropicEX=70e9 PRXY=0.3 6.定义求解类型： Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，设定分析类型为Steady-State 7.施加载荷： Main MenuSolutionDefine LoadsApplyThermalConventionOn Areas，分别对活塞的各个表面施加的参数如下表4-2 各部分如下图所示. 表4-2输入各项数据后，得到如下图所示的模型，如图4-3 图4-3 8变形将得到的模型进行变形后得到结果如图4-4 图4-4 9.求解 Main MenuSolution Solve Current LS 10.显示结果General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu DOF Solution Nodal Temperature 点击OK得到结果如图4-5 图4-5 五.结论及结果分析 由温度场可以看出，活塞顶部与燃气接触的表面最高温度约为377，位于活塞顶部中心处，因此活塞的最高温度在活塞顶面位置，这要求活塞有较大的导热截面以防止大的热应力和烧蚀发生。从总体上考虑，活塞的火力岸区域是受热最为严重的地方，所以要充分的考虑活塞的材质，提高活塞的抗热性，以防活塞顶部发生热变形。活塞环槽上下面及内侧面的温度差为2030，温度梯度相对较大，加上此处的尖角多，又是活塞散热的重要途径，所以应特别考虑此处的结构。特别是第一环槽的温度差很大，应予以充分的重视活塞的轴向温度大约在235，所以在设计活塞的时候，要考虑活塞在受热时产生的轴向的热变形在外侧面，沿轴向从上到下，温度由高到低，第一环槽处温度为380左右，活塞销座处最高温度大约为250，内腔面最高温度大约为300.从分析结果来看，活塞顶部的温度稍高，特别是第一环槽部分的温度过高，活塞顶部形成热积累。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，严重时将造成发动机气缸套擦伤，甚至拉缸。经过对活塞的温度场分析，该活塞顶部热负荷偏大，因此有必要对活塞进行优化设计，以改善活塞本体的传热性能并优化活塞的结构 六.参考文献1 丁仁亮.CATIA V5 基础教程M.北京：机械工业出版社