基于Proe的活塞有限元分析实例

阅读100门科技课程说明基于Proe的活塞有限元分析实例列表一、力边界下活塞的有限元分析21.单击“指定材质：指定材质”工具，然后在弹出对话框中，再次单击“2”2.决定限制43.应用载荷54.新建静态分析85.复查和分析结果9二、热分析121.概述122.添加列边界条件143.新建列分析164.复查和分析结果17三、热力耦合201.对热负荷应用20静态分析21查看结果23四、敏感度分析251.添加设计参数252.定义敏感度分析27结果分析284.温度灵敏度分析30五、优化分析311.新优化设计31六、压力分析结果34七、热分析结果36八、敏感度分析结果38Ix。优化设计结果39一、力边界下活塞的有限元分析创建模型后，进入分析模块1.指定材质：单击“指定材质”工具时，在弹出的对话框中可以看到更多点在弹出对话框中，选择新建在对话框中，输入以下ZL109材质的参数，然后切换到热标签以输入参数确认后返回到选取材料输出ZL109，然后按一下确定以将材料指定给活塞。因为文件只有一个零件，所以会自动指定。2.决定限制选取位移约束工具，曲面选取销环形面，以将三个转换自由度和三个旋转自由度设定为固定3.应用载荷柴油机活塞的顶部和环槽气体爆炸压力通常简化为均匀分布在表面，如图所示，通常施加在活塞第一环槽底部的压力为气体压力的76%，而施加在第一环槽和第二环槽上方和下方的压力为气体剩余压力的25%，仅施加在第二环槽底部的剩馀气体剩余压力的20%施加在其上。由于气体膨胀，压力越来越小，到达第二环槽下的残余气体压力可以忽略不计。选择最大爆炸压力条件作为受最大爆炸压力条件、最大爆炸压力、活塞往复惯性力和活塞销片分配力影响的计算条件。如上所述，选择面以应用气压汽缸内部压力/MPa气体压力Fg/N往复惯性力Fj/N11.80611.300987036.选择“压力载荷”工具，然后在打开的对话框中，选择顶面、燃烧室面和火力球。压力负载是先前计算的最大大气压力继续添加载荷惯性力的应用以根据惯性力计算的加速度形式加载Fj=-maA=-FJ/m=2197mm/sec 24.新建静态分析选择分析和设计审阅工具以创建新的静态分析输入以下设置并确定以下内容在选择Stru下，单击运行，几分钟后计算结束5.复查和分析结果在“选择Stru”下，单击以查看结果在弹出的对话框中，选择、确定和显示应力图1力边界条件下活塞应力云图(以MPa为单位)如图所示，活塞受到气体爆炸压力和往复惯性力的作用。由于沿活塞的轴方向作用，活塞的轴方向承受着较大的载荷。活塞在上止点附近向下移动时，活塞销会因弯曲变形导致活塞销底座异常变形，而销顶部的大刚度可防止活塞销底座变形，从而导致活塞销孔顶部发生应力集中。活塞的销基座中的最大应力约为198.1MPa，超出了常温活塞材料的最大允许应力195 MPa。活塞其他部分的应力值小于许用应力195 MPa。活塞加强件连接到活塞顶部的部分也发生应力集中，但应力值约为185 MPa。在查看结果界面中复制以查看变形云图像图2力边界条件下活塞变形云(单位mm)仿真计算了柴油活塞的总变形分布，如图所示。在活塞变形中，最大值为0.0485mm，位于活塞裙子的底边，活塞的整体变形继续扩散到活塞销孔变形最小的区域，变形量也逐渐增加。活塞顶部和燃烧室变形量大约在0.038mm到0.012mm之间，顶部相对于燃烧室底部变形更多。活塞环海岸和裙子区域的变形约在0.03mm到0.0015mm之间。随着活塞个别机械负载中气体压力的加入，区域应力值(例如活塞裙部、活塞销座等)明显增加。活塞裙部负荷的刚度很低，变形更大。考虑活塞顶部沿活塞销孔轴弯曲，裙子倾向于稍微向外拉伸，活塞在高温下自行膨胀，因此活塞的裙子变形较大。二、热分析1.概述活塞热边界条件的确定使用第三种类型的边界条件，它通常是给定边界的环境介质温度和传热系数。主要包括活塞的边界和气体、冷却剂、冷却油、曲轴箱内部油雾、自由环境之间的传热系数及其温度。通过使用AVL的boost软件模拟发动机气缸内的工作过程，计算活塞顶部的传热系数和气体平均温度，得出校准条件下发动机气缸内气体温度和对流传热系数。下图所示的：活塞顶面气体温度最高为1900 K，气体平均温度为900至1000k，对流传热系数平均为500至600w/(m2k)。活塞侧传热系数和环境温度活塞侧列通过气缸套间接传递到冷却剂，其传热系数计算为表达式(1)，并将冷却液温度用作环境温度。其中： 1、2和0分别是活塞环、气缸壁和间隙中油或气体的热导率。是圆柱壁和水之间的传热系数，f为平均水温时的水导热系数，deq是水套当量直径，Nuf是努塞尔特基准数。活塞内部传热系数和环境温度活塞内部顶部放置冷却油通道，底部主要与油雾接触，因此活塞内部环境温度取曲轴箱内部油的温度，传热系数为自下而上300 500w/(m2k)。活塞所处的工作环境决定了非常复杂的温度分布，活塞通过冷却介质去除热量的方法有多种，可以通过活塞环、缸套拿走热量，也可以直接通过缸套拿走。活塞和活塞环、活塞环和气缸套、活塞和气缸套之间存在油膜和空气间隙，并具有相对运动。因此，通过仿真计算、经验公式和经验值获得的上述热边界条件可能与活塞的实际传热边界条件有很大差异。要获得更精确的热边界条件，必须将活塞的温度场计算结果与活塞相应测量点的温度值进行比较，然后继续修改边界条件，直到计算结果更接近测量结果。表1是最终结果活塞的稳态边界条件。2.加入栏边界条件切换到列模式单击“对流条件”工具，选择曲面，然后根据表1输入对流系数和体表温度继续添加边界条件按表1逐个添加列边界条件，最后，执行以下操作3.新建列分析弹出对话框的设置如下单击运行开始计算，几分钟后完成4.复查和分析结果单击结果以查看选择、确定和显示温度。显示后复制温度渐变云图像图3热边界条件下活塞温度分布(单位c)图4热边界条件下活塞温度梯度(单位/毫米)活塞顶部与燃烧室接触的内部温度最高，并且随着活塞半径的增加(从活塞顶部的内边到活塞顶部的外边)，温度逐渐下降。最高温度为428 ，活塞顶出现在燃烧室附近的内部边缘。活塞顶部的最低温度约为381 ，位于活塞顶部的外侧边缘。燃烧室底部的中心温度达到403 。周围地面上的一圈温度逐渐降低，最低气温约为372 。火力库温度为399 。第一环槽最大温度为367 ，位于活塞第一环槽顶部端面，活塞环银行和裙板温度自上而下。活塞销的最高温度约为333 ，活塞销位于活塞室附近。活塞腔温度的最大值约为377 。如果活塞裙温度不高，则裙子最大温度311 位于活塞销孔的正上方。位于活塞裙部负载的最低温度158。在温度分布分析中，活塞的整体温度高是因为模拟期间没有考虑冷却方法或活塞实际工作的润滑剂的飞溅冷却，结果温度分布总体上较高。特别是顶部最大温度、燃烧室底部温度、第一环槽和第一环槽的温度。活塞的温度梯度云图像，最大温度梯度值为16.9c/mm，最小温度梯度值为0.068c/mm，最大温度梯度位置为活塞的第三个环槽，其中温度梯度变化非常显着，从最大值快速降低到大多数活塞的温度梯度级别，整个活塞的温度梯度值大部分小于6.0c/mm。从温度梯度值可以看出，热量主要来自活塞销和裙子部分，很少从活塞背面传递到曲轴箱和冷却油。三、热力耦合1.应用热载荷在压力分析和热分析完成的前提下，执行热力耦合分析，分析界面切换为结构分析然后以力载荷的形式将热分析加载到力分析中选择“使用以前的设计研究”以使用以前的热分析表示要转换的分析，参考温度20以指示应力为零时的温度2.静态分析选择分析和设计研究工具选取新的静态分析输入str_therm作为名称，约束和载荷分别使用默认值，收敛方法使用单通道自适应单击“选择Str_therm”下的“运行”按钮，分析将在几分钟后结束3.查看结果单击“结果”以选择下图中的应力，Mpa结果如下图5活塞的热耦合应力(以MPa为单位)图6活塞的耦合变形(单位mm)四、敏感度分析Pro/M改变设计参数，允许改变几何形状。变更几何图形类型会变更应力分布、变形等参数，从而提供Pro/ENGINEER模型的整体参数、关联性以及这两个资料的无缝整合，以便您可以轻松萃取Pro/M至Pro/ENGINEER参数，以用作最佳化设计的设计参数。本文研究了最大应力对三个不同模型参数的敏感度。分别是销座圆角、销座间隙和顶部壁厚1.加入设计参数切换到标准模块双击销圆角以显示R3选择R3，右键单击并选择属性在“名称”下，输入r以指示将圆角半径设置为参数r同样，双击接点坐标的草图平面。在18上单击鼠标右键，然后指定名称l，以显示端号坐标的间距。该值表示草图平面和中心面之间的距离，值越大，接点坐标的长度越小。双击内钢的草图，在“21.8”上单击鼠标右键，将其命名为h，将“21.8”与上部墙厚度相关联，值越大，上部墙厚度越厚。2.定义敏感度分析切换到分析模块以创建新的敏感度分析在打开的对话框中，输入参数，选择类型局部敏感度，然后从变量中选择先前创建的三个参数确认后运行分析需要更长的分析时间。退出后查看结果3.分析结果选择测量是最大应力，设计变量是r在结果界面中，最大应力和最大变形对设计变量的敏感度将复制其他两个设计变量中的最大应力，如下所示图7最大应力相对于圆角半径参数r和销座间隙l以及顶部壁厚h的灵敏度横坐标是设计变量的变换范围，纵坐标是最大应力(以MPa为单位)图8最大位移相对于圆角半径参数r和销基础间隙l以及顶部壁厚h灵敏度横坐标是设计变量的变换范围，纵坐标是最大变换(单位mm)从以上数据来看，最大应力对销基础间隙l最敏感，对销基础圆角半径r和顶部壁厚h的敏感度相对较小，对最大位移的敏感度与最大应力类似。圆角半径r和顶部壁厚h对感兴趣的参数量影响不大，因此可以适当地将其排除在后续设计研究之外。4.温度灵敏度分析图9图9最大温度和质量相对于圆角半径r灵敏度左坐标为温度，右图为质量，水平坐标为圆角半径r的变化图10最大温度和质量h对上部壁厚的敏感度左坐标是温度，右图是质量，水平坐标是上部墙厚度h的变化图11针间距l的最大温度和质量灵敏度左坐标为温度，右图为质量，水平坐标为端号间距l的变化最高温度对销片间隙l最敏感，顶部壁厚h对圆角半径r影响很小。五、优化分析1.新的优化设计通过前面的分析，确保优化的设计由销座间隙l确定为入口，并通过添加顶部壁厚进行优化。其中，顶部壁厚选择燃烧室腔的高度作为基准变量。在此模型中，属性名称为d42。打开的对话框输入参数、类型优化、目标最小化为模型质量、设计限制确定为最大应力195Mpa、设计变量选择燃烧室腔高度d42和销片间距l，具有参数更改范围，如下所示单击运行，然后完成至少一个小时的计算以查看结果最大应力研究，最大质量优化结果六、压力分析结果图12力边界条件下活塞应力云(以MPa为单位)如图所示，活塞受到气体爆炸压力和往复惯性力的作用。由于沿活塞的轴方向作用，活塞的轴方向承受着较大的载荷。活塞在上止点附近向下移动时，活塞销会因弯曲变形导致活塞销底座异常变形，而销顶部的大刚度可防止活塞销底座变形，从而导致活塞销孔顶部发生应力集中。活塞的销基座中获得的最大应力约为180MPa，不超过室温下活塞材料的最大允许应力195 MPa。活塞其他部分的应力值小于许用应力195 MPa。活塞加强件连接到活塞顶部的部分也发生应力集中，但应力值约为108 MPa。图13力边界条件下活塞变形云(单位mm)仿真计算了柴油活塞的总变形分布，如图所示。在活塞变形中，最大值为0.04698mm，位于活塞两侧活塞裙的底边，活塞的整体变形是活塞销孔的最小变形区域，继续向周围扩散，变形量也逐渐增加。活塞顶部和燃烧室变形量大约在0.0314mm到0.011mm之间，顶部相对比燃烧室底部变形更多。活塞环海岸和裙子区域的变形约在0.03mm到0.001mm之间。随着活塞个别机械负载中气体压力的加入，区域应力值(例如活塞裙部、活塞销座等)明显增加。活塞裙部负荷的刚度很低，变形更大。考虑活塞顶部沿活塞销孔轴弯曲，裙子倾向于稍微向外拉伸，活塞在高温下自行膨胀，因此活塞的裙子变形较大。七、热分析结果图14热边界条件下活塞温度分布(单位c)图15热边界条件下活塞温度梯度(单位c/mm)活塞顶部