摘 要摘 要活塞是柴油机的关键零部件，在柴油机工作过程中起着很关键的作用。在运行过程中，气缸内的燃气压缩燃烧会产生极高的温度，这会使活塞的整体温度都很高并且分布很不均匀，这将导致活塞产生很大的热应力。其次活塞在受到曲柄连杆机构往复运动产生的惯性力和燃烧室高压气体的载荷作用下，活塞会受到持续不断的机械应力，所以活塞的工作环境十分恶劣。因此，对活塞进行有限元分析，了解活塞的热机械应力应变分布,对了解和改善活塞的运行状况具有重要意义。本文建立活塞的三维模型,再将模型导入ANSYS软件进行强度校核。首先根据柴油机厂提供的图纸建立活塞的Pro/E模型，再通过活塞热力学和动力学计算得到示功图和温度变化图等数据，以这些数据作为基础算出有限元分析的边界条件。最后用ANSYS软件对活塞分别在热负荷、机械负荷和耦合的作用下对活塞进行有限元分析。通过分析活塞的受热受力分布，得到活塞的应力应变分布，从而确定最大应力集中区域,找出工作危险点，以检验柴油机活塞强度是否符合要求。在了解活塞材料强度要求的前提下，得根据有限元分析结果得出柴油机运行中需要注意的问题，为活塞后续的强化设计提供理论依据。关键词活塞；三维建模；有限元；强度分析
目 录
第一章 绪论 1
1.1活塞强度校核研究的背景和意义 1
1.2 活塞强度校核研究的国内外研究现状 1
1.3本文的主要研究内容及解决的关键问题 2
1.3.1主要研究方法 3
1.3.2 需要解决的关键性问题 3
第二章 活塞强度校核的理论基础 4
2.1热分析的理论基础 4
2.1.1稳态温度场 4
2.1.2 温度场的三类边界条件 6
2.2 机械应力分析的理论基础 6
2.2.1物体应力状态 6
2.2.2应力应变关系 7
2.3有限元法简介 8
2.3.1有限元基本原理 8
2.3.2ANSYS软件介绍 9
2.4本章小结 9
第三章 活塞三维建模 10
3.1 4L68柴油机及活塞的相关参数 10
3.1.1柴油机性能参数 10
3.
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1.2 活塞材料特性 12
3.2活塞模型的创建 12
3.2.1三维建模软件Pro/E简介 12
3.2.2活塞模型创建 12
3.2.3活塞质量 17
3.3本章小结 17
第四章 柴油机工作过程计算和边界条件的确定 18
4.1柴油机工作过程计算 18
4.1.1热力学计算 18
4.1.2动力学计算和运动学计算 23
4.2活塞边界条件的确定 26
4.2.1活塞热边界条件的确定 26
4.2.2机械应力边界条件 31
4.3本章小结 32
第五章 活塞有限元分析 33
5.1 模型的导入与网格划分 33
5.2 活塞的热负荷分析 34
5.2.1活塞温度场分析 34
5.2.2活塞热应力分析 35
5.3活塞的机械应力分析 37
5.3.1载荷的处理 37
5.3.2活塞机械应力和变形分析 38
5.4热应力和机械应力耦合分析 40
5.5活塞机械负荷疲劳分析 41
5.6本章小结 45
结论与展望 47
致 谢 49
参 考 文 献 50
第一章 绪论
1.1活塞强度校核研究的背景和意义
随着工业技术的迅猛进步，发动机的性能变得越来越强，功率也逐渐变大，但同时发动机性能的提高也产生了一些负面的影响[l]。如活塞温度变得越来越高,大大降低了活塞材料的强度和寿命；缸内最大爆发压力的提高使活塞承受的机械应力变大，这可能导致活塞受到超负荷强度应力而失效；当长期超负荷疲劳工作时,活塞运行会缺乏稳定性，发动机整体噪声也随之增大。这些问题带来的对发动机各组件的强度考验也越来越大[2]。
尽管技术的进步可以减少发动机的功率损失,但同时却造成发动机氮氧化物等污染物排放的增加。在满足发动机高效能要求的同时,必须也要满足发动机的温度和强度校核方面的要求。活塞的工作稳定性直接影响发动机运行的稳定性。通常可以减轻发动机零部件的质量来保持运行的稳定性和高效性。如今，很多中小型柴油机厂采用铝合金作为活塞制造的材料[3],更有技术领先的企业为了减少活塞的热机载荷，正在尝试使用陶瓷代替合金作为活塞的材料。
活塞是发动机运行的主要组件，也是发动机工作最严酷的零件。活塞长期工作在恶劣的环境下，整个活塞在工作过程中会承受很高的温度，而且活塞受到往复运动产生的周期性惯性力，活塞的机械负荷十分严重，会造成活塞顶部变形、裙部开裂、活塞底部销座开裂等不良后果。在热负荷和机械负荷的综合应力下，活塞的使用寿命会受到很大的影响，并可能导致活塞组开裂、拉缸等故障,极大地危害发动机运行的可靠性和稳定性。一个可靠的发动机设计必须对活塞组进行温度场、热应力和机械应力分析，对发动机活塞进行强度校核。
因此，本文选题的意义在于对活塞进行热分析、机械应力分析和热机耦合分析，然后将有限元模拟仿真结果以及研究的结论和展望运用到活塞受力分析中，这样可以为活塞组的设计和优化提供精确的理论依据。
1.2 活塞强度校核研究的国内外研究现状
自计算机计算能力从20世纪90年代开始迅猛发展以来,国内外的学者对活塞的各种性能展开了深入的研究工作。其研究方面主要有:活塞的温度场、热应力、机械强度的研究和活塞组与发动机其他零件耦合的分析研究[4]。在此基础上,更有教授专家进行了其他专业方向的自主研究，包括活塞的热冲击、耦合瞬态传热、瞬态动力学运动学、油环润滑油膜以及活塞环积碳等方面。同时,在计算机仿真计算领域,有关学者也在寻找针对这一领域的精确计算方法,以提高强度研究分析的能力。
有限元方法分析必须先建立有限元模型。在整个过程中,它通常具有很大的工作量。模型若创建的与实际情况有出入，则后续工作将很难开展。目前,发动机活塞有限元模型的创建方法大约有三种[5]:有些学者取部分活塞建立对称有限元模型。通常先根据自己研究的实际情况，对活塞的几何模型在不重要区域进行简化处理,,如认为活塞相对于通过轴线和销座孔中心线的平面是对称的,忽略其偏置；实际上发动机活塞销座孔具有偏置性，并不完全对称,整个活塞并没有对称面。因此为使计算结果更为精确，有些学者例如佟景伟[5]等采用了六面体单元建立了活塞整体模型，对整体活塞进行了应力应变有限元分析计算,得到了较为理想的结果；前面两种创建活塞模型的方法都没有考虑活塞与发动机其他组件之间的相互影响。实际上，只有整体考虑活塞组和其他组件之间耦合关联和影响，才能真正分析出实际运行中发动机组件温度和应力的分布图。如在对6E160柴油机活塞组进行有限元分析时,吴昌华[6]等建立了四分之一活塞组模型，然后对活塞组缸套的三维耦合模型进行分析，在考虑实际的温度场变化和传热情况后，他们得到了与实际相近的温度场结果。

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