蒋文涛_hyperworks在活塞仿真分析计算中的应用_W

1、 Altair 2012 HyperWorks 技术大会论 HyperWorks 在活塞分析计算中的应用蒋文涛 柳隽卓技术投资（中国）有限公司 上海201401摘要：活塞作为发动机动力单元的主要组成部分，在动力传输中处于关键核心位置。其结 构强度，理论相对疲劳寿命直接影响发动机整体的寿命，对其进行有限元分析与结构优化有 着十分重要的现实意义。在以往的有限元分析中，大多只对单个活塞进行有限元分析，而并 没有考虑整个动力单元之间的相互影响，本文运用 Altair HyperWorks 的强大前处理软件 HyperMesh 建立了活塞，活塞销，连杆整体模型，并对其进行了热固耦合分析以及疲劳寿命分析，

2、采用 HyperView 对分析结果进行可视化处理。在此基础上，运用 Morph 对结构进 行了合理的优化，取得了良好的结果。 关键词：Altair HyperWorks,发动机,活塞,结构优化,疲劳寿命1 引言发动机动力单元主要包括缸套，活塞，活塞环，活塞销，连杆等零件，如图 1 所示。活塞作为动力单元的关键零部件，工作环境恶劣，受载复杂，其失效将会导致整个发动机系统的失效。因此，本文以内燃机活塞作为研究对象，对其进行结构强度分析具有十分重要的 现实意义。在活塞温度计算过程中，充分利用试验分析数据，计算出了活塞的准确温度分布。 在此基础上，将活塞所受的热应力与机械应力相结合，得到了准确的活塞

3、应力分布。在疲劳 分析的基础上，运用 Altair HyperWorks 的 Morph 工具进行了结构优化。在分析计算过程中， HyperWorks 作为一款先进的计算机辅助分析软件，在设计研发中发挥了重要的作用。 - 1 - Altair 2012 HyperWorks 技术大会论 图 1 发动机动力单元 本文拟采用图 2 所示的有限元分析流程。图 2 有限元分析流程 - 2 - Altair 2012 HyperWorks 技术大会论 2 动力单元（PCU）的有限元分析2.1 有限元分析模型的建立 为了得到高质量的网格，有必要对模型进行一些几何清理。本文以 HyperMesh 作为有限元

4、分析前处理软件，对导入的模型进行几何处理。如图 3 所示为导入时的模型，进行几 何清理之后的几何模型如图 4 所示。 图 3 导入的几何模型图 4 几何清理之后的模型几何清理之后，需要对模型进行网格划分。有限元网格的划分一方面要考虑对各模型几 何形状的准确描述，另一方面也要考虑变形梯度的准确描述。划分网格时必须考虑以下原则： 网格数量，网格密度，良好的单元形状，良好的剖分过渡性，网格剖分的自适应性。基于以 上原则，本文建立了活塞-活塞销-连杆系统有限元分析模型，采用精度比较高的四面体十节 点单元，建立的网格模型如图 5 所示 图 5 网格模型- 3 - Altair 2012 HyperWor

5、ks 技术大会论 2.2 活塞温度场分析 分析活塞的实际运行情况以及现在发动机的试验手段，想要得到热分析的第一类热边界 条件或者是第二类热边界条件，即使是在已知活塞的边界温度或热流也几乎不可能的，所以 本文采用第三类热边界条件分析活塞的温度场，定义了活塞表面与高温燃气和冷却介质之间 的对流换热系数、高温燃气以及冷却介质的平均温度。经加载计算，得到活塞的温度场分布， 如图 6 所示，活塞的最高温度为 272C。 图 6 活塞的温度场2.3 热固耦合分析 活塞在做功行程中，不仅在其顶部受到高温燃气的压力，还受到汽缸壁对活塞的侧推力、 连杆的作用力、惯性力以及与活塞销之间的摩擦作用，工作状况非常恶劣

6、。活塞承受的燃气压力与惯性力是周期性变化的，因此，活塞的不同部位受到交变的拉伸、压缩或者弯曲载荷。 并且由于活塞各部分的温度及其不均匀，活塞内部产生一定的热应力，所以要求活塞的质量 小，热膨胀系数小，导热性小，和耐磨性小。本文中的活塞采用 MAHLE 公司性能良好的M142 铝合金材料。对活塞结构进行有限元分析时，充分考虑了活塞复杂受力情况，如图 7所示。 - 4 - Altair 2012 HyperWorks 技术大会论 图 7 活塞受力曲线 在活塞应力计算过程中，考虑了活塞销孔形线与外圆形线的影响，同时将温度计算结果 与机械应力计算结果相耦合，为疲劳寿命分析打下基础。如图 8 所示为所计

7、算的活塞在运 行过程中所受的最大平均应力和应力幅值。 图 8 活塞的最大平均应力与应力幅值分布3 疲劳寿命分析 本文采用工程中广泛应用的疲劳分析理论 Miner 线性累积损伤理论对活塞结构进行疲 劳寿命评估，计算的疲劳寿命如图 9 所示。活塞的最小相对寿命为 0.6。低于 MAHLE 公司的相对疲劳寿命标准 2.5。 - 5 - Altair 2012 HyperWorks 技术大会论 图 9 活塞的寿命分布4 优化分析 Morph 是 HyperMesh 中用于直接改变模型网格的模块。允许通过有效、合理、可视化的方式改变网格模型，在确保网格质量最优化的前提下实现以下功能：(1) 通过改变零部

8、件网格来改变该零部件几何形状；(2) 参数化的改变零部件网格模型尺寸；(3) 把现有模型网格投影到新的几何形面上；(4) 为形状优化分析创建形状变量。基于 Morph 网格优化功能， 对活塞结构进行优化，燃烧室顶面厚度增加了 1 mm。如图 10 所示为 Morph 优化之前的网 格模型，图 11 所示为优化之后的结构。 图 10 Morph 优化之前的模型图 11 Morph 优化之后的模型- 6 - Altair 2012 HyperWorks 技术大会论 采用与优化活塞结构之前想同的边界条件，计算得出的最大平均应力与应力幅值如图 12 所示。 图 12 活塞的最大平均应力与应力幅值分布疲

9、劳寿命分布如图 13 所示。最小寿命为 4.6。满足 MAHLE 公司的相对疲劳寿命标准 2.5。图 13 活塞的寿命分布5 结论 本文成功应用 HyperWorks 相关软件对发动机动力单元进行有限元分析，在此基础上应用 HyperWorks 强大的优化工具 Morph 对活塞进行结构优化，取得了理想的优化结果。 HyperWorks作为一款先进的计算机辅助分析软件，在设计研发中是一个非常有效的工具。- 7 - Altair 2012 HyperWorks 技术大会论 HyperWorks Application in Piston NumericalSimulationJiang Went

10、aoLiu JuanzhuoAbstract: The power cell unit accomplishes the main function of the whole engine running, and piston is the key component of it. The strength and theoretical relative life time of piston has direct influence on the whole life time of engine. It makes a great sence to do finite analysis

11、 and optimization of piston. In the past, the analysis only considers single piston, never considers the influence between power cell units. Piston-pin-conrod model was modeled with the help of Altair HyperWorks in this paper. Thermal-mechanic analysis and fatigue analysis were done. Results were visualized by using