大学毕业设计奥迪发动机活塞的改进设计.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除摘 要分析奥迪发动机活塞的结构及其各部件的作用。使用UG软件对各部件进行建模和虚拟装配。对活塞模型进行受力分析，并在此基础之上以减轻质量为目标进行优化设计。通过有限元法对活塞进行受力分析。对于活塞使用其处于做功行程的上止点工况进行受力分析。并且运用第一强度理论对三者的分析结果进行强度校核，三者应满足各自材料强度的要求并有一定的余地提供给优化设计。最后在有限元分析的基础上，对活塞进行优化设计。优化设计的主要目的是在不降低活塞使用性能的情况下，尽可能的减少活塞的质量，减少活塞制造成本。使用UG软件Structure模块中的优化设置功能对活塞的实体模型进行优化设计，用最优化的模型替代原有模型。有限元分析表明，降低了活塞的质量,各种应力应变均在设计允许范围之内，活塞结构的改进是成功的。关键词：活塞，UG建模，有限元分析，优化设计Optimize Design on the Piston of the Aodi EngineABSTRACTAnalyzing it structure and function of the piston and other parts. Using UG NX 2.0 to establish the model for the parts of piston and connecting rod also using the finished parts to do the virtual assembling. After the structure analysis of the piston and connecting rod doing the optimize design based on the weight reducing. Processing the structure analysis for the piston by using the finite element analysis. For the analysis of the piston, using the status of the TDC in working stroke. ABasing on the first intension theory to finish the intensity-check of the three parts. The three parts must satisfy the stress request and have space to be optimized.Based on the finite element analysis, establish the optimize design on the piston. The main purpose of the optimize design is to reduce the weight of the piston while the usability must be guaranteed. For this paper we use the optimization setup in UG Structure module to do the optimize design on the piston. Finally change the original model by the optimized one. The result of finite elementcalculation shows that ,the mass of the piston arereduced. stress and strain is in range of design. The improvement of piston structure is successful.Key word: piston, UG modeling, finite element analysis, optimize design奥迪发动机活塞的改进设计梁智荣 0611031170 引言近几年，随着我国汽车工业的高速发展，参照国外先进机型设计开发并引进关键的生产制造技术是目前迅速提高我国内燃机制造及开发水平有效措施。在人们普遍重视的汽车各种性能指标中，发动机的性能显得尤为重要。人们买车总是希望汽车能够有强大的动力与良好的经济性。所谓鱼与熊掌不可兼得，动力性上升的同时经济性必然下降。所以人们一直在汽车设计中坚持两者兼顾的方案。活塞连杆作为发动机中的主要部件，可谓是心脏中的心脏，所以活塞连杆的好坏与否直接关系到发动机的性能。因此对于活塞与连杆的优化设计具有相当重要的意义，设计良好的活塞连杆不仅可以节约材料成本还可以提高发动机的性能。由于优化设计是一个相当复杂的一个数学问题，所以必须借助计算机来完成。现在对需要设计的产品进行虚拟建模，并且进行有限元分析已经变得相当流行。这样能使产品在设计阶段能够更接近实际情况，降低生产成本和周期。就本课题而言，使用UG软件对奥迪发动机的活塞连杆进行实体建模，并且进行有限元分析和优化设计。对奥迪活塞连杆的设计合理性进行分析，并在一定程度上改进设计方案。1 概述1.1 课题介绍活塞是内燃机结构中一个重要构件。活塞的作用是承受燃料化学反应产生的压力，产生发动机所需的动力。由于活塞组件是工作速度最高的组件之一，机械负荷与热负荷均比较大，工作环境恶劣，它的工作能力对发动机的性能和可靠性均有重大影响。而连杆的作用是将活塞的往复直线运动变成曲轴的旋转运动，并在活塞和曲轴之间传递作用力，在工作中经受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用。可见活塞的质量是发动机最主要的组成部分，它们的好坏很大程度上决定了发动机的工作性能。所以对活塞进行优化设计有助于提高发动机的整体性能，以达到提高性能节约成本的目的。1.2 活塞组件结构的简介1.2.1 活塞组件的简介活塞主要由活塞体、活塞环组成。下面就分别介绍个部件。（一）活塞体活塞的主要功能是承受燃烧气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。此外活塞顶部与汽缸盖，汽缸壁共同组成燃烧室。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，这些力都是周期性变化的，且其最大值都很大。如增压发动机的最高燃烧压力可达1416Mpa，这样大的机械负荷作用在形状复杂的活塞上，可能引起活塞变形，活塞销座裂开，第一道活塞环折断。活塞顶与高温气体直接接触，使活塞顶的温度很高，活塞各部的温差很大。温度升高使活塞材料的机械强度显著下降，活塞的热膨胀量增大，从而使活塞与其相关零件的配合遭到破坏。另外，由于冷热不均所产生的热应力容易使活塞顶表面裂开。另外，活塞在侧压力的作用下沿汽缸壁高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。根据上述工作条件，活塞结构及所用材料应满足下列条件： 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。 受热面积小、散热好。高强化发动机的活塞应进行冷却。 活塞材料应该是热膨胀系数小、导热性能好、比重小，具有良好的减磨性和热强度。（二）活塞环活塞环分为气环和油环两种。气环的主要功用是密封和传热。保证活塞与汽缸壁间的密封，防止汽缸内的可燃混合气和高温燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶部接受的热传给汽缸壁，避免活塞过热。如果密封不良，不但发动机起动困难，功率下降，燃油和机油的消耗量增加，机油老化变质，而且还由于活塞环外圆面与汽缸壁贴合不严密，活塞顶部接受的热传不出去，而导致活塞及活塞环温度过高，甚至被烧坏。油环的主要功能是刮除飞溅到汽缸壁上的多余机油，并在汽缸壁上涂布一层均匀的油膜。既能防止机油窜入燃烧室被烧掉，又能实现对活塞、活塞环合汽缸壁的润滑。此外，气环和油环还分别起到刮油和密封的辅助作用。活塞环工作时受到汽缸中高温、高压燃气的作用，并在润滑不良的条件下在汽缸内高速滑动。由于汽缸壁面的形状误差，使活塞环在上下滑动的同时还在环槽内产生径向移动。这不仅加重了环与环槽的磨损，还使活塞环受到交变弯曲应力的作用而容易折断。1.2.2 活塞设计方法活塞的设计思路:活塞是在一个高温的环境中工作，所以，一般使用铝材料制造活塞，铝材料重量轻、导热性又好。大多数发动机都使用铸铝活塞。但是，铝材料的高温强度极低，其300度的高温度要降低50%左右，而活塞又必须承受高压气体的压力，所以必须加厚各壁面的尺寸。然而，这又将影响其高速性，所以，在保证活塞足够强度的前提下，如何加强活塞的冷却能力是一个关键问题。大体上来说，活塞是一个圆筒状零件。但实际上，活塞的头部尺寸略小，裙部尺寸略大。这样，当活塞工作时，由于活塞头部温度较高，壁厚较厚，而产生较大的热变形后，上下部就能达到一致。1.2.3 发动机介绍奥迪汽车公司现为大众汽车公司的子公司，总部设在德国的英戈尔施塔特。主要产品有A3系列、A4系列、A6系列、A8系列和敞篷车及运动车系列等。奥迪轿车的标志为四个圆环，代表着合并前的四家公司。这些公司曾经是自行车、摩托车及小客车的生产厂家。1968年11月26日，在英格尔施塔特城市剧院，汽车联盟公司邀请经销商和媒体参加新款奥迪100(如图1.1)的发布会。首席工程师Ludwig Kraus博士设计的新款奥迪使得奥迪首次进入了中高档轿车竞争性市场。奥迪100很快成为销量最高的车型，并为新奥迪系列创立独立品牌奠定了基础。图1.1 奥迪100汽车在1988年，奥迪公司授予中国一汽代号为“C3”的奥迪100生产许可证，并于当年组装499辆汽车。1991年，一汽大众正式开始生产奥迪100，当时主要是为了满足公务车市场的需要。由于技术先进，外形漂亮，在当时供不应求。官车市场的巨大容量为奥迪带来丰厚了的利润，也确立了奥迪100的在中国汽车市场的地位，成为新一代“官车”的代表。在中国生产的奥迪100车型诞生于1968年，它为战后奥迪的真正复兴起到了至关重要的作用，奥迪100很快成为销量最高的车型，原计划生产10万辆的奥迪100卖出了80万辆，重新确立了“奥迪品牌”的地位。在外形上，虽然来到中国的奥迪100已经生产了20年，但经典的楔形车身和0.29的风阻系数在当时的中国依然显得很超前。最先一批通过CKD组装的奥迪100采用1.8升发动机，而后又相继引进2.0升、2.2升、1.8T、2.6升发动机。在车型的引进上，最先一批奥迪100代号为C3，1993年开始组装C4，在国内还叫奥迪100，只不过外形和动力配置都有了变化。而在1997年的时候，一款专门为中国设计，在C3的基础上加长轴距，外观有少许变化的奥迪200在长春下线，并在国内第一个采用了涡轮增压发动机。到1999年，代号为A6的新一代奥迪在中国投产,也标志着老奥迪100的道路走到了终点。表1.1 发动机的主要参数主要参数数值发动机型号Audi 100缸径行程8186.4mm总排量644mL压缩比9.5:1最大功率74kW最大转速5200r/min最大扭矩工况155Nm/3800r/min2 汽油机活塞模型的建立2.1 概述本文的目的是进行活塞连杆组件的优化设计，所以在这之前需要一个由计算机建立的可供有限元分析和优化设计使用的虚拟模型。Unigraphics(简称UG)是当前世界上最先进的面向制造行业的CAD/CAM/CAE高端软件。作为一个集成的全面产品工程解决方案，UG软件家族使得用户能够数字化地创建和获得三维产品定义，UG软件被当今许多世界领先的制造商用来从事概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数控加工等各个领域。UG是知识驱动自动化技术领域中的领先者，它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，显著地改进了汽车、航空、航天、机械、电子、医疗仪器等工业的生产。UG为企业带来了显而易见的价值：更快的新产品开发；使复杂产品设计简化；减少产品成本和增加企业的竞争实力。它已成为世界上最优秀公司广泛使用的系统。这些公司包括：通用汽车、波音飞机、通用电气、惠普发动机、埃立信、飞利浦、松下、精工和柯达等，如今UG在全球已拥有17000多个客户。Unigraphics软件系列1990年初进入中国，并很快就以其先进的管理理念、强大的工程背景、完善的技术功能以及专业化的技术服务队伍赢得了广大中国用户的赞誉。新用户群也正以每年近40%的增幅不断扩展。现在，由原UGS与原SDRC公司合并而成的UGS PLM Solutions在中国的用户已超过3000家，装机量达15000多台套，广泛应用于国内的航空航天、汽车、通用机械、高技术/电子等各个领域。目前用于实体建模和有限元分析的软件有很多，如ANSYS、ProE、UG、CATIA等等，对于建模来说UG无疑是功能最强大的，而且它的Structure模块也能很好满足本课题的需要。所以本文将采用UG软件进行活塞连杆的建模。并且采用相关参数化建模，这样可以在优化后用优化后模型的参数替换原有模型的参数。UG软件的部分模块特征介绍：（一）UG实体建模(UG/SolidModeling)UG实体建模提供了草图设计、各种曲线生成、编辑、布尔运算、扫掠实体、旋转实体、沿导轨扫掠、尺寸驱动、定义、编辑变量及其表达式、非参数化模型后参数化等工具。（二）UG/FeaturesModeling(UG特征建模)UG特征建模模块提供了各种标准设计特征的生成和编辑、各种孔、键槽、凹腔-方形、圆形、异形、方形凸台、圆形凸台、异形凸台、圆柱、方块、圆锥、球体、管道、杆、倒圆、倒角、模型抽空产生薄壁实体、模型简化(Simplify)，用于压铸模设计等、实体线、面提取，用于砂型设计等、拔锥、特征编辑：删除、压缩、复制、粘贴等、特征引用，阵列、特征顺序调整、特征树等工具。（三）UG/FreeFormModeling(UG自由曲面建模)UG具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。（四）UG/Drafting(UG工程绘图)UG工程绘图模块提供了自动视图布置、剖视图、各向视图、局部放大图、局部剖视图、自动、手工尺寸标注、形位公差、粗糙度符合标注、支持GB、标准汉字输入、视图手工编辑、装配图剖视、爆炸图、明细表自动生成等工具。（五）UG/AssemblyModeling(UG装配建模)UG装配建模具有如下特点：提供并行的自顶而下和自下而上的产品开发方法；装配模型中零件数据是对零件本身的链接映象，保证装配模型和零件设计完全双向相关，并改进了软件操作性能，减少了存储空间的需求，零件设计修改后装配模型中的零件会自动更新，同时可在装配环境下直接修改零件设计；坐标系定位；逻辑对齐、贴合、偏移等灵活的定位方式和约束关系；在装配中安放零件或子装配件，并可定义不同零件或组件间的参数关系；参数化的装配建模提供描述组件间配合关系的附加功能，也可用于说明通用紧固件组和其它重复部件；装配导航；零件搜索；零件装机数量统计；调用目录；参考集；装配部分着色显示；标准件库调用；重量控制；在装配层次中快速切换，直接访问任何零件或子装配件；生成支持汉字的装配明细表，当装配结构变化时装配明细表可自动更新；并行计算能力，支持多CPU硬件平台。（六）UG/AdvancedAssemblies(UG高级装配)UG高级装配模块提供了如下功能：增加产品级大装配设计的特殊功能；允许用户灵活过滤装配结构的数据调用控制；高速大装配着色；大装配干涉检查功能；管理、共享和检查用于确定复杂产品布局的数字模型，完成全数字化的电子样机装配；对整个产品、指定的子系统或子部件进行可视化和装配分析的效率；定义各种干涉检查工况储存起来多次使用，并可选择以批处理方式运行；软、硬干涉的精确报告；对于大型产品，设计组可定义、共享产品区段和子系统，以提高从大型产品结构中选取进行设计更改的部件时软件运行的响应速度；并行计算能力，支持多CPU硬件平台，可充分利用硬件资源。（七）UG/SenarioforFEA(UG有限元前后置处理)UG有限元前后处理模块可完成如下操作：全自动网格划分；交互式网格划分；材料特性定义；载荷定义和约束条件定义；NASTRAN接口；有限元分析结果图形化显示；结果动画模拟；输出等值线图、云图；进行动态仿真和数据输出。（八）UG/FEA(UG有限元解算器)UG有限元可进行线性结构静力分析、线性结构动力分析、模态分析等操作。（九）UG/ANSYSInterface(UG/ANSYS软件接口)UG/ANSYS软件接口完成全自动网格划分、交互式网格划分、材料特性定义、载荷定义和约束条件定义、ANSYS接口、有限元分析结果图形化显示、结果动画模拟、输出等值线图、云图。2.2活塞实体模型的建立活塞的建模主要步骤如下：第1步 首先建立一个69.7mm59mm的圆柱体，作为毛坯。第2步 在XYC平面建立草图（如图2.1），并且选择旋转草图“”，形成片体并且利用TrimBody“”裁减毛坯，形成活塞头部曲线。第3步 在XYC平面建立裙部外形的草图（如图2.2），拉伸（注意：拉伸长度一定要超过圆柱体直径），利用TrimBody“”裁减拉伸体，使其与活塞外壁对齐。并且将裁减后的拉伸体与活塞体合并，这样活塞裙部就完成了。图2.1 活塞头部外形草图图2.2 活塞裙部草图第4步 在底部打孔形成活塞内腔下部，孔深15mm，直径65mm。第5步 在XYC平面建立草图（如图2.3），选择旋转草图“”，形成片体并且利用TrimBody“”裁减毛坯内部，形成活塞内腔曲线。第6步 在YZC平面内打通孔，直径为18mm。一方面是建立活塞销孔，另一方面是为了后面活塞销孔加强筋部分的定位。图2.3 活塞内腔曲线草图图2.4 活塞销座草图第7步 在YZC平面建立草图（如图2.4），分别向两边拉伸，同样的拉伸距离必须超过活塞外壁。随后使用TrimBody“”裁减，这样活塞销孔座部分就完成了。第8步 在第三环槽处，建立矩形草图并且拉伸作减法操作，建立第三环槽处的回油槽。并且利用镜像完成另一边的回油槽。第9步 在活塞销孔中心处建立与XZC平面成的基准平面，并且以次平面为基准在活塞销孔座上打直径为3mm的孔，这是活塞销与活塞装配时润滑用的油孔。利用镜像完成另一边的油孔。第10步 在活塞内腔中倒适当的圆角。这样便完成了活塞的建模，效果如图2.5。 图2.5 活塞建模效果图3 汽油机活塞的虚拟装配3.1 概述3.1.1 虚拟装配简述虚拟装配是在计算机上进行装配，装配件中的零件与原零件之间是链接关系，对原零件的修改会自动反映到装配件中，从而节约内存，提高装配速度，及早发现零件配合之间存在的问题,保证设计质量。UG软件中的虚拟装配方法主要有：自顶向下装配（Top-Down assembly）、自底向上装配（Bottom-Up assembly），或者使用上述两种方法进行混合装配。自顶向下装配就是在上下文中进行设计(working in context) ，即由装配件的顶级向下产生子装配和组件，在装配层次上建立和编辑组件，由装配件的顶级向下进行设计。自底向上装配是先建立单个零件的几何模型即组件，再组装成子装配件，最后装成装配件，由底向上逐级地进行设计。零件之间使用配对约束、对齐约束、正交约束、角度约束、平行约束、中心对齐约束、距离约束等约束条件建立配对条件，这样一旦部件的零件模型改变，产品的虚拟装配模型将随着改变，实现了真正意义的参数化设计。基于虚拟装配模型可以建立装配顺序。装配顺序（Assemblies Sequences）功能给产品的设计和制造提供了很大方便，用户可以根据不同的用途例如：设计、工艺、制造、维修等建立不同的装配顺序，包括拆卸顺序，有利于排除组件间的干涉和间隙，有利于设计、工艺、制造部门之间的友好合作，实现并行设计。3.1.2 基于UG的虚拟装配这里主要采用自底向上的装配方式。在UG的Modeling模块中选择ApplicationAssemblies启动装配模块后即可使用相关的装配功能。以下是UG自底向上装配的主要步骤：（一）按绝对坐标定位方法添加组件选择AssembliesComponentsAdd Existing弹出“选择部件”的对话框。选择部件后单击OK，弹出“添加存在部件”对话框。如图3.1。图3.1 选择部件和添加存在部件对话框（二）按配对条件添加组件配对条件是指一对组件的面、边缘、点等几何对象之间的配对关系，用以确定组件在装配中的相对位置。配对条件有一个或多个约束组成。配对条件通过规定在两个组件间的约束关系定位组件，在一个装配件中：配对条件配对约束。配对条件对话框如图3.2。有下列两种方法建立装配条件： 当加一已存在部件作为一组件到装配件时，选择AssembliesComponentsAdd Existing，然后从定位方法选择Mate。被加部件已成为被配对组件 通过选择AssembliesComponentsMate Components，并从装配件中选择一已存在组件进行配对。3.2活塞组件的虚拟装配活塞组件的装配主要是活塞与三道气、油环的装配。活塞环是具有弹性的，实际装配中是将活塞环用专用工具压缩进活塞环槽，随后安装入汽缸内，这样用活塞环的弹性来使活塞与汽缸的配合，使之不会产生漏气等不良现象。但是这里并不模拟现实中活塞环的压缩运动，所以只需将活塞环槽的底面和各活塞环的底面进行Mate装配，系统会自动对齐各环。（如图3.5）各活塞环底面与活塞环槽底面进行Mate装配图3.5活塞组件的装配4 活塞组件的有限元分析4.1 概述本章主要介绍活塞组件的受力分析，这主要是为了对完成建模的活塞组件进行受力分析。由于优化设计中需要有限元分析的相关数据，所以这也是为了下一章的优化设计做好准备。活塞组件在发动机工作时处于高速、高温的工作状态下，所以实际的工作状态是相当复杂的，在这里对活塞的受力分析做了相应的简化。这里采用UG NX软件中的Structure模块进行有限元的受力分析。这里在有限元分析及后面的优化设计中采用冯氏（Von Mises）应力作为评价标准。冯氏（Von Mises）应力是将压应力、拉应力和剪应力的不同分量用数学方法综合产生的一个单独的量，这个标量常用于表示某种材料承受的总体应力情况。其所产生的应变即等效应变，可作为判断材料某处会出现磨损或衰竭的可靠指征。4.2 有限元分析的简介4.2.1 有限元分析的内容随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA： finite element analysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。我国在“九五”计划期间大力推广cad技术，机械行业大中型企业CAD的普及率从“八五”末的20%提高到目前的70%。随着企业CAD应用的普及，工程技术人员已逐步甩掉图板，而将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品质量，计算机辅助工程分析（CAE：computer aided engineering）方法和软件将成为关键的技术要素。在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 增加设计功能； 减少设计成本； 缩短设计和分析的循环周期； 增加产品和工程的可靠性； 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题； 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费； 进行机械事故分析，查找事故原因。4.2.2 UG有限元分析的基本方法(1)新建Scenario模型；(2)设置分析环境；(3)准备分析模型；(4)添加载荷；(5)指定边界条件；(6)划分网格；(7)指定网格材料属性；(8)检查分析模型；(9)执行分析；(10)查看分析结果。4.3 活塞的受力计算及有限元分析4.3.1 活塞所承受的外力活塞所承受的机械作用力为高温燃气所产生的爆发力，往复运动的惯性力，汽缸壁对活塞裙部的侧压力。本课题活塞受力分析中只需考虑活塞所承受的燃气压力、往复惯性力和活塞裙部的侧压力。在分析前先分析活塞的工作循环，选取工作状况最恶劣的情况进行有限元分析，并进行强度校核。以满足各个工况下活塞的强度要求。本课题受力分析中，活塞的受力为活塞头部压力、惯性力（这里用加速度来加载）和活塞裙部侧向压力。约束为活塞销孔处的固定约束以及裙部的对称约束。4.3.2 活塞外力的计算（一）活塞的位移、速度及加速度图4.1为活塞、连杆、曲轴机构的示意图：令称为连杆比，由图4.1左图可得： （4.1） （4.2）活塞位移为： （4.3） 由（4-2）式展开得：将上式由牛顿二项式定理展开得：其中:R曲轴半径(mm)；l连杆长度(mm)；S冲程(mm)；曲轴旋转角速度；曲柄转角，曲柄与汽缸的中心线之间的夹角，顺时针旋转方向为正；连杆摆角；x活塞位移(mm)，以活塞的上止点()为始点，以向曲轴中心O移动为正。图4.1 活塞、连杆、曲轴机构的示意图由于比较小，上式中高于二次方的各项之和都很小，只要取前两项就够精度了。将： （4.4）代入（4.3）得活塞位移X随曲轴转角变化的近似公式： （4.5）活塞的速度为：（4.6）活塞的加速度为： （4.7）（二）活塞侧向压力的计算在活塞销孔处作用着气体力： （4.8）和往复惯性力：（4.9）为活塞顶部的气体作用力，Mpa；D 为活塞直径，mm； 为活塞组的质量,它包括：活塞、活塞环、活塞销和连杆小头的质量。活塞销上作用的合力为： （4.10）由图4.1和式4.8得： （4.11）对于本文中奥迪发动机的活塞连杆，相关的计算参数见表4.1：表4.1：奥迪活塞连杆的相关参数曲轴半径R（mm）连杆长度l（mm）冲程S（mm）活塞质量（kg）连杆小头质量（kg）活塞环质量（kg）活塞销质量（kg）35.5115.5710.1940.0900.00730.07对于奥迪发动机来说，使用最大功率的工况来进行计算：最大的转功率时的转速： 所以：所以得到：活塞加速度：惯性力： 合力为：最后得到侧向力与曲轴转角之间的关系式： (4.12)汽油机的燃气爆发力一般为：3.56Mpa，这里取5Mpa。燃气爆发力最大的时候发生在发动机点火的时候。奥迪发动机点火正时为上止点前，即：此时曲轴转角为。将、代入式（4.7）、（4.12）得到：表4.2：活塞受力情况工况曲轴转角燃起压力p加速度侧向压力N最大功率4.3.3 活塞的有限元分析模型（一）实体模型的简化因为考虑到侧向压力对活塞裙部变形只影响活塞裙部的一边，活塞的外载荷只关于活塞一半对称，所以侧向压力仅采用活塞几何模型的一半来划分有限元网格。所以对于半个模型来说，侧向力可相应的减小一半取为：。并且在使用UG进行有限元分析前对活塞模型进行一定的简化以减少计算时间，去处内腔的圆角、第三活塞环处的隔热槽。优化后的模型如图4.2所示：图4.2简化后的活塞模型（二）有限元模型的建立有限元模型是由网格和其他用于分析的相关数据组成。有限元网格划分的优劣，直接影响分析结果的可靠性和分析所占用的时间。在建立有限元分析模型时，这一步骤占用的时间一般也是最多的。在结构应用中，UG提供了一种快速有效的网格划分工具，即网格生成器。它可直接在几何对象上自动划分网格。在对活塞实体的划分网格中，在工具条中选择3D Tetrahedral Mesh，弹出对话框后（见图4.3）。网格类型网格大小图4.3 划分网格对话框在Type栏中选择Tetra 10（10节点四面单元体），在Overall Element Size栏中，单元尺寸为5.69。最后就是电脑自动划分网格。划分网格后的有限元模型见图4.4。共划分网格3592个、节点6790个。图4.4 划分网格后的模型（三）定义材料特性在有限元模型工具条(Finite Element Model)中选择材料图标，在该对话框中，可以指定材料属性到选择的一个或多个网格上，也可指定材料属性选择的实体或片体上，还可更新网格或实体的材料属性。在材料属性对话框中，除可为实体或网格指定材料属性外，还可以创建、查询和编辑各向同性材料、各向异性材料和正交各项异性材料，同时也可以添加、查看和编辑这三种材料类型在不同温度下的性能。表4.3 活塞材料的物理参数和力学性能抗拉强度 弹性模量 泊松比 密度 250800.32.74奥迪汽油机的活塞材料为铸造铝合金，选取牌号为ZL109的铸造铝合金。其材料性质如表4.3图4.5 定义材料的对话框在UG中定义材料特性如图4.5：将减小后的侧向压力加载于活塞裙部的相应位置。并且在Y方向加载的加速度。图4.6 定义约束的对话框（五）定义约束在活塞裙部的对称面进行对称约束：Symmetry。在活塞销孔处定义固定约束Fixed。如图4.6。活塞销孔固定约束裙部对称约束裙部侧向压力活塞头部气体压力图4.7 模型载荷与约束的加载载荷与约束定义完成后的模型如图4.7：（六）求解在工具条中单击Solve按钮，各个选项按默认设置进行分析求解。在分析结束后，分析监测器对话框中会显示提交工作已经完成的提示。（七）查看有限元分析结果在工具条中单击查看分析结果图标 (Results)，系统进入后置处理器，在图形窗口中显示分析结果。在分析结果对话框中单击分析结果类型图标(Type)，在对话框中设置Type选项为StressElement Nodal，设置Component选项到默认的Von Mises。单击OK，则显示冯氏（Von Mises）应力分布图。在对话框中单击显示图标 (Display)，在弹出的对话框中关闭Undeformed选项。单击Apply，则图形窗口中只显示变形结果。再关闭Deformed选项，单击Apply，分析结果以不变形的方式显示。活塞的应力分析如图4.8：根据图中可发现最大应力处于活塞内腔活塞销孔的加强筋处，其值为：139.3Mpa。图4.8 活塞的Von Mises应力分布云图4.3.4 活塞的强度校核（一）选用适当的强度理论活塞在工作过程中主要受到拉压应力，所以活塞的强度校核适用第一强度理论（最大拉应力理论）7。这一理论认为最大拉应力是引起断裂的主要原因。即认为无论是什么应力状态，只要最大拉应力达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发生断裂。既然最大拉应力的极限值与应力状态无关，于是就可以用单向应力状态确定这一极限值。单向拉伸只有（0），而当达到强度极限时，发生断裂。这样根据这一理论，无论是什么应力状态，只要最大拉应力达到就导致断裂。于是得断裂准则：（4.13）将极限应力除以安全系数得许用应力，所以按第一强度理论建立得强度条件是：（4.14）（二）活塞的强度校核计算由4.3.3的（七）得到：活塞的最大应力值为，而活塞使用的材料ZL109的许用应力为：。选用安全系数s=1.3,即：。所以活塞符合强度要求。4.4 小结本章根据活塞工况的分析与计算。对于活塞，采用其处于做功行程的上止点工况进行受力分析。得出以下结论：根据本章的有限元分析，活塞符合各自材料的强度要求。并且根据有限元分析结果选择优化设计的对象。关于优化设计工况的选取如下：对于活塞直接选用有限元分析的工况进行优化，这将在下一章中进行讨论。5 活塞的优化设计5.1 优化设计的概述5.1.1 优化设计的发展六十年代以来，最优化技术进入了蓬勃发展的时期，主要是近代科学技术和生产的迅速发展，提出了许多用经典最优化技术无法解决的最优化问题。为了取得重大的解决与军事效果，又必将解决这些问题，这种客观需要极大地推动了最优化的研究与应用。另一方面，近代科学，特别是数学、力学、技术和计算机科学的发展，以及专业理论、数学规划和计算机的不断发展，为最优化技术提供了有效手段。 机械优化设计应用的发展历史，经历了由怀疑、提高认识到实践收效，从而引起广大工程界日益重视的过程。从国际范围看，早期设计师习惯于传统设计方法和经验设计。传统设计由于专业理论和计算工具的限制，设计者只能根据经验和判断先制定设计方案，随后再对给定的方案进行系统分析和校核，往往要经几代人的不断研制、实践和改进，才能使某类产品达到较满意的程度。由于产品设计质量要求日益提高和设计周期要求日益缩短，传统设计已越来越显得不能适应工业发展的需要。设计师为了掌握优化设计方法，需要在优化理论、建模和计算机应用等方面进行知识更新；此外，在6070年代，计算机价格昂贵，企业家要考虑投入与产出的效果，故当时在应用实践方面多数限于高等院校、研究所和少数大型企业中开展。从70年代到80年代，计算机价格大幅度下降，年轻一代设计师茁壮成长，优化设计应用的诱人威力，市场竞争日益激化，作为产品开发和更新的第一关是如何极大地缩短设计周期、提高设计质量和降低设计成本已成为企业生存的生命线，从而引起广大企业和设计师的高度重视。特别是CAD/CAM以及CIMS（计算机集成制造系统）的发展，使优化设计成为当代不可缺少的技术和环节。用优化设计方法来改造传统设计方法已成为竞相研究和推广并可带来重大变革的发展战略，优化设计在设计领域中开拓了新的途径。现在，最优化技术这门较新的科学分支目前已深入到各个生产与科学领域，例如：化学工程、机械工程、建筑工程、运输工程、生产控制、经济规划和经济管理等，并取得了重大的经济效益与社会效益。近年来，为了普及和推广应用优化技术，已经将各种优化计算程序组成使用十分方便的程序包，并已进展到建立最优化技术的专家系统，这种系统能帮助使用者自动选择算法，自动运算以及评价计算结果，用户只需很少的优化数学理论和程序知识，就可有效地解决实际优化问题。虽然如此，但最优化的理论和计算方法至今还未十分完善，有许多问题仍有待进一步研究探索。可以预测，随着现代技术的迅速发展，最优化技术必将获得更广泛、更有效的应用，它也必将得到更完善、更深刻的进展。 作为CAD/CAM中资源库的发展 ：目前CAD主要限于分析计算和绘图功能，是设计后期的重要工作。如何构思设计本身，向设计的前沿渗透，是CAD的发展方向之一。作为设计过程来说，当设计方案和原理初步形成，采用优化设计可以在确定结构参数过程中评价方案的优劣和技术性能的满足程度，是解决设计本身向设计前沿的一个桥梁或过渡。 图5.1 CAD优化设计的图示CAD应向图示化（如图5.1）、集成化、标准化和智能化发展，逐步达到设计自动化。作为CAD资源之一的优化设计和模型库，也应与此相应发展。5.1.2 优化设计的主要内容（一）建立优化数学模型将工程实际问题以数学模型表示。为此要恰当选取设计变量，将设计问题所追求的最佳设计指标与设计变量之间的关系用函数式或其他的方式表示出来，即为优化问题的目标函数；列出约束条件，即设计问题所受到诸多方面约制的关系式，以上三方面构成了优化问题的数学模型。一般来讲，结构优化问题的数学模型可描述为：求：（5.1）使： （5.2）并且满足：（5.3）其中：设计变量， n设计变量数， F（X）目标函数， m等式约束总数， r约束函数总数。（二）选取优化方法目前可供优化工作使用的方法很多，其中包括无约束优化方法和约束优化方法，要根据不同设计类型、不同的设计规模选用恰当的优化方法，以使得达到计算的高效率，以期具有预期的设计精度。（三）用计算机进行求解优化设计是综合有关各方面的因素，按优化原理进行求解，是建立在近代数学及计算机广泛运用基础上的一项新技术，其计算量繁杂而量大，所以以计算机为工具，以人机配合的方式进行自动搜寻最优值，以搜寻出在现有条件下的最佳设计参数，取得最优设计方案。5.1.3 优化分析软件的选取在课题最初，针对优化设计中涉及大量非线性数学问题，所以考虑采用数学分析功能强大的Matlab软件，但是本课题的优化分析涉及有限元分析，所以不具备有限元分析功能的Matlab不被使用。随后考虑有限元分析功能强大的Ansys软件进行优化设计，但是在将UG实体模型转换为IGES文件，并且载入Ansys后发现，由于活塞模型过于复杂，Ansys中显示的模型与UG模型产生偏差，难以进行进一步分析。最后还是考虑使用UG进行优化设计，虽然UG软件的有限元及优化模块没有以上2个软件强大，但是考虑到自身软件的数据传输不会造成数据的遗失，因此分析结果将保有较高的精确性。可以满足课题研究的需要。5.1.4 基于UG软件的优化分析（一） UG优化分析简介UG NX的结构分析模块中有两个完全不同的优化器。一个是Optima，它来源于MSC软件，仅适用于购买了MSC软件的用户，主要涉及梁和板壳参数的优化。另一个优化器就是来源于Altair Engineering的HyperOpt，它包含在UGNX结构分析模块中。在设计优化中，它不仅可以使用梁和板壳单元的参数，还可直接采用其他的特征参数，甚至包括草图中的尺寸约束。一般来讲，优化器根据用户自定义的参数和目标来控制分析过程。用户定义一个需要达到的目标：最小体积或最小质量，定义一定的系统约束类型（例如应力水平或位移），并指定达到目标那些参数是可以变化的。然后，系统在分析运行中反复变更设定的参数，直到在定义的约束范围内达到优化目标。当分析运算中得到越来越接近一个最后的答案时，则该分析运算被称为收敛于一个解。如果因为某种原因，不能收敛于一个解时，系统就会反复运算直到达到预先定义的最大迭代次数（缺省为20）时停止运算。这种类型的解称之为分散的。（二） UG优化分析的步骤（1）优化设置在结构工具条中选择优化设置图标“”，系统显示优化设置对话框，如图5.2：图5.2 优化设置对话框（2）定义目标应力应变位移质量体积定义最大、最小或目标值目标类型图5.3 优化目标对话框选择Define Object按钮，显示目标对话框，如图5.3所示。其中UG提供的目标有：应力、应变、位移、重量和体积。（3）定义约束选择Define Constrains按钮，这里有四种约束类型（1维、2维、3维和模型约束），其中包括应力、应变等约束类型可供选择。显示对话框如图5.4所示：应力应变质量体积位移上下限约束类型图5.4 定义约束对话框约束对话框中的列表窗口中显示的参数随着所选单元的类型改变的。例如：当选择一个实体单元时，冯氏（Von Mises）应力就会作为一种约束，出现在列表窗口中。可以选择单元类型，然后设置约束的上下限。（4）定义设计变量优化设置的最后步骤是定义设计变量。这些设计变量指定了在分析运算中允许变化的对象。选择定义设计变量按钮，显示设计变量（Design Variables）对话框，如图5.5所示。使用该对话框可以对优化分析中所需要的设计变量进行定义，并对优化分析中将要进行调整的模型参数指定上下限。定义上下限变量类型图5.5 定义设计变量对话框（5）提交优化分析完成优化参数的设置以后，就可以提交给系统进行运算求解。从结构工具条中选择求解图标，选择Altair HyperOpt优化器进行计算，对话框如图5.6所示。这里有两种优化分析类型；设计