活塞有限元分析

1、基于Pro/MECHANICA的活塞有限元分析张继春，杨建国，李兴虎（北京航空航天大学汽车工程系，北京；哈尔滨工业大学汽车工程学院，山东威海）摘要：在环境下，分别完成了活塞在力载荷、热载荷和热力耦合作用下的有限元分析，分析了各种载荷下活塞的应力和变形情况，为活塞优化设计奠定了基础。关键词：；活塞；有限元中图分类号：文献标识码：文章编号：（）活塞是发动机的重要零部件之一，活塞的设计质量直接关系到发动机性能的优劣。有限元分析技术在提高活塞产品性能和加速活塞研制过程中的重要作用越来越被人们所重视。本文介绍在环境下，对活塞进行有限元分析。点使这些点在活塞销孔方向的径向位移为，在活塞销孔的下表面加的向的

2、约束，即下表面的向位移为。（）在活塞的顶面及火力岸上施加的力边（大约是在活塞的销孔界条件，在活塞的中心的中心轴线处）施加往复惯性力的边界条件，活塞销对活塞的作用力为孔径力，大小为。加载后的活塞图如图所示。简介是美国参数技术公司开发的有限元软件。该软件可以实现和的完全无缝集成。其主要模块可以分为以下个部分。（）：结构分析软件包，可以进行零件模型和装配模型的结构分析和优化分析。它可以完成的分析种类有静态分析、模态分析、曲屈分析、接触分析、预紧分析以及振动分析等。（）：温度分析软件包，可以进行零件模型或装配件模型的稳态和瞬态温度分析，也可以根据温度问题进行灵敏度分析和优化设计。（）：运动分析软件包，

3、进行机构分析和机构运动优化设计，可以进行三维静态分析、运动学分析、动力学分析、逆向动力学分析以及干涉检验分析等。（）在下建立一个分析，这个分析代表了活塞的受力分析，在的环境下，在命令过后会对活塞进行自动的网格划分，网格划分之后，进行计算。力边界下活塞的有限元分析约束确定及网格划分本文采用活塞的模型进行分析，首先按照以下原计算结果及分析图所示。活塞的应力位移云图如图、则确定约束：（）模型对称面上的每个节点，在该平面内的法向线位移均为。（）活塞销座的内上侧节点的径向位移为（）活塞销座的下半部节点向的位移为。网格划分后模型如图所示。计算工况及载荷确定选取最大爆发压力工况作为计算工况，所受载荷有最大爆

4、发压力、活塞往复惯性力和活塞销座分布力的作用。使用的功能对活塞进行约束和力的加载：（）在下施加对称面上的约束，使两个对在活塞销孔上表面建立个模拟称面上的轴向位移为。由图可以看出，活塞受到气体的爆发压力和往复惯性力的作用，它们的共同特点就是都沿着活塞的轴线由于方向作用，所以活塞的轴线方向承受着极大的载荷。活塞在上止点附近向下运动时活塞销会出现弯曲变形，机械工程师年第期使活塞销座出现异形变形，而销座上端的较大刚度阻止活塞销座的形变，从而导致了活塞销孔的上端出现了应力的集中。在活塞的销座得出的最大应力为左右，还远远未超过活塞材料在常温下的最大许用应力。而活塞的其他部位应力值都在以下。另外，活塞加强筋

5、与活塞顶部相连的部位也会出现应力集中的情况，但其应力值同样小于活塞材料的许用应力值。如图所示，在活塞的现有结构下，活塞销座的轴线方向上的的刚度显然大于垂直于轴线方向的刚度，因此发生的位移理所当然的是垂直与活塞的销座的轴线方向的位移大于销座轴线方向上的位移，模型活塞的最大位移为左右，所以活塞的径向尺寸变化量较大，并不在活塞的允许的配缸间隙内，可能会造成拉缸。活塞的最大配缸间隙值应满足这一变形的要求。从图可以看出，该活塞在反复变化的燃气温度的最大温度出现的作用下的稳态温度最大值是左右。地方是活塞顶的中心位置。之所以出现这种情况是因为该顶面直接与高温燃气接触，另外在该部位也正对着高速流动的燃气，因为

6、紊流传热的原因造成该部分的换热系数高于活塞其他部分的传热系数，在施加传热系数时考虑了这一因素的影响，加大了顶面的传热系数，综合作用的结果使得活塞顶部出现了温度最大值。活塞裙部的下端温度最低，温度值是左右。活塞销座部分的温度值也在之间。在活塞火力岸部位温度在之间，对于评价活塞热负荷状态的第一环槽温度这一重要评价指标，从图上也可以看出，其值在之间，不会因温度过高而影响气环的密封性，从而造成润滑油结胶、结碳（活塞用高温润滑油的结胶温度为）使发动机的运行可靠性受到影响。从图上还可以看出温度在活塞轴线方向上迅速下降。图所示为活塞温度场的等温线，由于等温线正好与热流失量的方向垂直，所以热流的方向正好通过活

7、塞的顶部向活塞的侧壁散热，即高温的燃气正是通过这种方式向外传热的。由图中还可以看出在活塞的销部，热流的方向发生了变化，正是由于活塞销部的加强筋实体形状加上活塞内腔换热系数的稳定性，使得活塞的顶部热量在此部位的散失较小，所以直接导致活塞销部的等温曲线的偏斜。由图可知，活塞的最大热流量为，最小热流量为，最大热流量位置位于活塞的第一环槽处。从图上也可以看出，由燃气转入活塞顶的热量大部分都通过活塞环传给了气缸壁和冷却水。而通过活塞裙部和活塞内腔传给表面空气的热量占的比例则很小，与国内研究者实验研究结果相符合。由图是活塞的温度梯度云图，最大温度梯度值为活塞的热分析很多文献把活塞的温度场简化为轴对称温度场

8、来计算，本文考虑到发动机结构及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，活塞温在计算活塞温度场时，通常采度场按三维温度场计算，。用第三类边界条件（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、冷却油以及与曲轴箱内油雾之间的换热系数和相应的介质温度侧面和内腔的工作状况差异很大，确定。由于活塞顶面、这种热交换边界条件的困难在于很难找到一个准确计算活塞与周围介质之间换热系数的通用公式。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。因此本文采用经验公式得到的换热系数计算温度场。活塞表面的对流换热系数和环境温度的结果见文献。在的模式下

9、利用加载热边界条件，加载后的活塞的热边界条件图如图所示。建立一个活塞的静态传热分析，最小的温度梯度值为，最大温度梯度的位置是活塞的第一环槽处，且在该处的温度梯度变化较为剧烈，迅速从最大值降低到了大部分活塞的温度梯度水平，整个活塞的温度梯度值大部分都在以下。从温度梯度的值也可以判断出热量主要由活塞环区流出，只有少部分是由活塞销和裙部传出，更有少部分是由活塞的背面传给曲轴箱和冷却油。会对活塞进行自动的网格划分并完成计算。图所示。活塞热分析结果的温度云图、等温线如图、通过活塞的温度场分析，除了要建立相对准确的有限元模型外，最重要工作便是确定活塞的热分析边界条机械工程师年第期件。由分析可知，活塞的最高

10、温度为，发生在活塞的顶面中心处；最低温度为，发生在活塞的裙部的最低点，在活塞顶上的燃烧室周围与活塞环槽处有较大的温度梯度，活塞的主要热量是从活塞环处流失的。从图所示的活塞的耦合位移图可以看出，活塞最大位移主要集中在活塞的裙部，方向为活塞的径向，大小约为，它与力载荷的位移相比有所增加，说明了活塞裙部的变形不仅是受力的结果，同时又是热载的结果，不过裙部的变形主要是受到力载荷的影响；另一位移较大处为活塞的顶部边缘处，大小为左右，这主要是活塞受热膨胀的结果，另外还有活塞受力产生的变形，这两者叠加的共同作用，造成了活塞的顶部边缘处的位移方向并不确定，如果要指出它的变形方向，只能说是向斜下方。由于活塞的受

11、力载荷和热载的共同作用，活塞的综合位移主要集中在活塞的顶部边缘和活塞的裙部底部。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。活塞的热力耦合分析在的环境下，建立活塞的热边界条件，建立热分析后，在的环境下加载活塞的力和约束的边界条件，然后在此环境下通过的方式将热分析以力载荷的形式加载到力分析中去，然后建立一个静态的力学分析（其中包含），在启动的命令后，系统会自动划分网格并加以分析，可以分别得到活塞的热应力应变和位移、耦合应力应变和位移。加载后的活塞的边界条件图如图所示。耦合应力云图如图所示，耦合位移云图如图所示。活塞在受到高温燃气和力载荷的共同作用的情况下，活塞同样地受到对称剖面法

12、向位移为，销座孔上表销孔下表面的向位移为的面的节点的径向位移为、情况下，活塞会产生耦合应力。结论（）活塞在燃气爆发压力、往复惯性力及活塞销座孔的分布力作用下，危险应力值位置在销座上表面的内缘，应力值为左右，远未超过活塞材料在此温度下的许用值。模型活塞的最大位移值大约在左右。（）活塞最高温度为，发生在活塞顶面中心处，最低温度为发生在活塞裙部的最低点，活塞的轴向温度梯度较大。在活塞顶上的燃烧室周围与活塞环槽处有较大的温度梯度，活塞的主要热量是从活塞环处流失的。以作为参考温度，活塞在温度载荷的作用下，产生的最大热应力值为，其位置在活塞销座孔的上下表面交界处，该处的约束限制了活塞的膨胀，形成了较大的热

13、应力。（）在燃气爆发压力和温度载荷的共同作用下，在活塞的应力值以力载荷应力为主，力和热共同作用的叠加造成了活塞的应力云图。活塞的最大应力值，危险区出现在活塞销座孔的上表面的内侧，应力值最大为；模型最大位移变形值，集中在活塞的裙部。活塞的顶部则以热膨胀变形为主。由图可知，在温度场与力场的耦合作用下，活塞的应力危险区出现在活塞销座孔上表面的内侧附近区域内，此区的应力最值约为，而最大应力约为参考文献郑永刚，马学军活塞强度有限元分析山东内燃机，（）：谭建松，严兆大，刘镇涛非对称结构活塞的有限元计算车用发动机，（）：史绍熙柴油机设计手册（上、中、下）北京：中国农业机械出版社，元成浩，赵元姬发动机的活塞温度场及热应力的有限元计算分析汽车技术，（）：（编辑立明）左右，它的数值比活塞在只受力载荷时的应力增加了约的应力，这就充分说明了在目前的约束下，活塞在力与热的共同作用下，活塞的力应力占主导地位，在热与力的共同叠加作用下，活塞的应力很明显地集中在活塞销座内缘内，这是造成活塞损坏的主要区域，也是优化设计需要重点考虑的地方，而且活塞的加强筋与活塞顶面的交界处也出现了应力集中，说明了热的作用对此处的影响较大。!作者简介：张继春（），男，讲师，博士生，主要研究方向为汽车及发动机现代设计、分析方法。收稿日期："$"$&q