关于SolidWorks Simulation的活塞有限元分析

1、关于SolidWorks Simulation的活塞有限元分析    0 引言活塞是发动机的重要零部件之一，其性能的优劣对发动机的整体性能有着重要的影响。活塞在高温、高速、高负荷、润滑不良、冷却困难等的环境下工作，承受着周期性交变机械负荷和热负荷的作用。随着发动机强化指标的不断提高, 活塞及其相关组件所承受的机械负荷和热负荷也越来越高，它们的结构设计是否合理，对提高活塞组零件的工作可靠性和耐久性具有重要的意义。本文利用有限单元法对活塞进行有限元分析，获得活塞分别在机械负载作用下的应力场分布、在热负载作用下的温度场分布和变形情况，以及其在机械负载、热负载和

2、惯性力共同作用下的应力分布和综合变形，为活塞的结构设计和优化提供依据。1 建立几何模型在 SolidWorks 中对某型号柴油发动机活塞建立三维几何模型。如下所示：由于SolidWorks Simulation 和SolidWorks 无缝集成，故可直接将该模型导入到SolidWorks Simulation 中进行有限元分析。2 有限元分析2.1 机械载荷分析由于活塞结构对称，在保证分析结果正确和精确的前提下，同时考虑到对活塞添加边界条件的可行性，对活塞模型进行简化，将活塞沿垂直于销轴方向的对称中心面分割，取其1/2 进行分析，这样既可以简化计算过程又不失结果的真实性。将 1/2 活塞模型导

3、入到SolidWorks Simulation 中后，新建静态算例，给活塞模型添加铝合金材料，材料属性如下所示：材料弹性模量E=7.3e+10N/m2， 泊松比v=0.33，密度d=2800Kg/m3，屈服强度s=7.58 e+8 N/m2，热膨胀系数= 2.3e-5 K-1，导热系数为= 140W/(m·K)，比热C= 800J/(kg·K)；给模型添加约束，为了消除模型的刚体位移，根据活塞的实际工作状况，在模型中添加相应的边界条件进行约束：在分割对称面上添加对称约束，并限制该平面法向位移为0；考虑活塞销对活塞的约束作用，限制活塞销孔与活塞销接触部分的节点沿销轴轴向位移为

4、0；限制活塞沿气缸缸套轴线方向位移为0 。活塞在工作状态中受的机械负荷主要有燃料燃烧压力、往复惯性力、侧压力三种。由于活塞往复惯性力方向与燃料燃烧压力方向相反，往复惯性力削弱了燃料燃烧压力的作用，因此为保证新设计的活塞具有足够的安全系数，计算时不考虑活塞的往复惯性力。活塞所受的侧压力主要是通过活塞环传递的，对活塞结构破坏作用不明显，可以忽略。柴油机活塞最高燃烧压力Pmax 一般在 (1417) MPa。在活塞顶面及头部取最高燃烧压力Pmax=17 MPa，由于活塞头部与汽缸间的间隙节流作用， 在第一活塞环槽附近的气体压力减小约为0.9Pmax=15.3MPa，活塞环在燃气压力的作用下，压紧在环

5、槽的下端面，燃气便绕流到活塞环的背面，挤压活塞环，使其压力进一步减小，故在第二活塞环槽附近的气体压力约为0.2Pmax=3.4MPa，第二活塞环槽以下的燃气压力作用效果较小，可以不计。按等值分法施加压力，垂直作用于活塞相应外表面1。在进行活塞有限元分析时，在保证分析精度的前提下，适当简化模型是必要的。例如将出油孔、进油孔、密封环槽等结构特征压缩。利用SolidWorks Simulation 自带的网格划分器自动划分网格，单元类型为四面体实体单元，根据以往试验数据及文献可知，在活塞环区、燃烧室及销座等处会出现应力集中，可适当增加网格密度，进行面网格控制。采用高品质网格，总体单元大小设为1.5m

6、m，单元总数为74382，总节点书为114066。活塞模型加载及网格划分如下图2 所示：显示活塞模型整体应力分布情况，从图中看出，活塞绝大多数区域应力值在100MPa以下，且多数区域应力值小于60MPa。但部分区域应力值较高，应力较大的地方主要分布在活塞销孔加强筋上，在活塞顶面中央部位应力也较高。图4 显示活塞模型在机械负载作用下的位移分布情况，从图中看出，活塞整体在机械负载作用下变形较小，且从活塞顶面到活塞裙部的变形依次减小。2.2 热载荷分析传热分析可分为稳态传热和瞬态传热两种方式。稳态传热用于分析稳定热负载对零部件的影响。通常在进行瞬态热分析之前，进行稳态热分析用于确定初始温度分布。而瞬

7、态传热中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显的变化。与稳态方法相比，瞬态的热传导分析具有更高的可信度，也与实际情况更为贴近。但是瞬态变化的热边界条件难以确定，而且对计算机和软件的要求都很高。考虑到活塞各边界与周围介质(如燃气、冷却水、冷却油)热交换条件的非轴对称性，而且测定活塞表面全部节点温度很不方便，因此，在活塞温度场分析时，通常采用第三类边界条件(即对流换热边界条件)。确定对流换热边界条件主要是确定各边界与燃气、冷却水、冷却油等之间的对流换热系数和相应的介质温度。通常确定换热系数的方法是采用一些经验或半经验的计算公式来进行。与静态分析类似，取1/2 模型进行分析。在So

8、lidWorks Simulation 中新建热力算例，材料属性如前所述。活塞顶直接受到高温燃气的周期性加热，瞬时最高燃气温度将达到18002600，铝合金活塞顶面温度高达350左右，裙部温度在180左右2。活塞表面各处的对流换热系数4和环境温度如下表所示：显示模型整体温度分布情况。从图中看出最大温度出现的地方是活塞顶的中心位置，这是因为活塞顶面与高温燃气直接接触,而且这个部位与高速流动的燃气正对，紊流传热造成该部分的换热系数高于活塞其他部分的传热系数, 使得活塞顶部出现了温度最大值。活塞裙部下端温度出现最低值,温度在180左右。活塞销座上半部分温度在240左右，下半部分在200左右，而且可以

9、看出，在活塞的销座部位，温度分布的趋势有所改变，这主要是由于活塞销部加强筋的影响和活塞内腔换热系数较为稳定所致，使得热量在此处散失较小，所以造成活塞销座部位等温线的偏斜。活塞第一环槽处的热负载状态是一较为重要的评价指标，从图中看出，此处温度在290 300左右，温度相对较高，易引起润滑油变质而结胶，致使活塞环卡死造成拉缸。而且还可以看出，在活塞第一环槽附近，温度变化较为剧烈，这是由于热量在此处通过活塞环流出，只有少部分从活塞销和活塞裙部散失，致使温度降低较快。2.3 热应力分析内燃机活塞在工作过程中，不仅承受燃料燃烧爆发压力等机械载荷作用下而产生机械应力，而且还承受由于受热不均匀而产生的热应力

10、。在活塞顶部、环岸区和活塞裙部间的温差很大，导致活塞内部产生很大的热应力。活塞的热应力是一个非常突出的问题，在某种情况下比机械应力大好几倍，因此在分析活塞时必须考虑活塞的热应力。活塞的热应力分析是在求得了活塞温度场之后，将各点温度作为已知值，建立静态算例，计算求得活塞的热应力和热变形。热力分析结果如下：显示活塞在热载荷作用下的合位移。从图中看出，变形在活塞销座附近较小，活塞顶面的变形最大，而且沿Z 轴方向（活塞销轴的垂直方向）比沿X 轴方向（活塞销轴方向）的变形大。图7 显示模型整体应力分布情况，可以看出，活塞绝大多数区域应力值较小，而在活塞销轴座处应力值较大，大于其材料许用应力，这主要是由于

11、活塞轴的约束作用引起。总体来看，活塞绝大多数区域应力值相对较小。2.4 活塞机械负荷和热负荷耦合分析活塞在高温、高速、高负荷的状态下工作，热变形和热应力的分布对其影响很大，为了能更真实地模拟活塞正常工作状态，需要综合考虑活塞热应力和机械应力的双重作用分析求解，机械应力、机械变形分别与热应力、热变形迭加，得到活塞的综合应力和综合变形。在对活塞进行热应力和机械应力双重作用分析时，首先建立压力容器算例，将之前所做的在机械负载作用下的静载荷分析和在热负载作用下的热应力分析进行组合，这样就可以把机械负载和热负载两静态算例的结果进行线性组合起来进行分析。分析结果如下：显示活塞在机械负荷和热负荷耦合作用下的

12、合位移情况。从图中看出，活塞变形较大的地方主要集中在活塞裙部底部（约为0.2mm 左右）和活塞顶部沿Z 轴方向（约为0.27mm左右），综合考虑其结果,活塞与缸壁之间的间隙值应满足这一膨胀的要求。分别显示在耦合作用下活塞沿X 轴方向、Z 轴方向变形情况。从中看出，活塞在沿X 轴方向的变形最大处在活塞顶部，最大值约为0.177mm 左右，且从活塞顶部至裙部，变形基本呈递减趋势。从 看出，活塞在沿Z 轴方向的变形最大处在活塞头部，最大值约为0.26mm左右，且沿Z 轴方向一侧受拉一侧受压。显示活塞模型在机械负荷和热负荷耦合作用下的应力分布情况。从图中显示，活塞绝大多数区域应力值较小，局部应力较大，

13、应力大于屈服应力的区域主要分布在活塞销座顶部，这主要是由于活塞销的约束作用造成的，这也是活塞销座产生裂纹的主要原因。3 结束语3.1 综合比较活塞分别在机械载荷、热载荷作用以及在机械载荷和热载荷综合作用下的活塞变形情况发现，在综合作用下模型的变形位移分布跟在热载荷作用下的分布趋势大致相同，说明活塞的变形主要由热载荷作用引起，在沿活塞Z 轴方向的变形要比沿X 轴方向的变形大，说明在气体燃烧压力和机械载荷作用引起的变形是不均匀的，在沿活塞销轴方向，由于活塞销座的刚性比较大，加上活塞销的约束作用，使得变形较小。而在活塞销的垂直方向上，活塞销壁较薄，有无销轴的约束，使得变形较大。因此，为保证活塞在工作

14、状态下能和缸套有很好的配合，在活塞机构设计加工时，将活塞头部设计成椭圆状。同时，热负载是引起活塞变形的主要原因，为防止活塞在工作状态下不至因受热膨胀而拉缸，因尽量改善活塞的散热条件。3.2 综合比较活塞分别在机械载荷、热载荷作用以及在机械载荷和热载荷综合作用下的活塞应力分布情况发现，活塞在机械载荷作用下的应力要远小于在热负载作用下的热应力值，活塞在热载荷作用下的应力分布与活塞在机械载荷和热载荷综合作用下的应力值基本接近，分布趋势大致相同，说明活塞的热应力是引起活塞出现裂纹等破坏的主要原因。当温度超过了300350时，铝质活塞材料的强度将急剧下降，导致活塞破坏。因此，改善活塞散热情况将是提高活塞工作性能的关键。3.3 本文利用SolidWorks 三维设计软件实现从三维模型的建立到仿真分析，通过仿真结果分析对比，为结构设计优化提供依据和方法，从而体现机械设计仿真分析一体化思想和方法。因此，用有限元分析模拟活塞的温度场、应力场与变形，对改进活塞设计、提高内燃机性能与可靠性是十分重要的。参考文献1周先辉，马峻，李伯民活塞有限元分析J. 华北工学院学报，1998，19(2):171173.2史绍熙. 柴油机设