1. 研究目的与意义（文献综述）

在不远的将来新能源发动机可预见尚难大规模使用，活塞式汽油发动机面临其技术瓶颈性能难以继续提高的情况下，柴油发动机由于其环保节能等优点逐渐在民用和工程发动机领域占据不可取代的地位。现代工程对柴油机功率、扭矩、排放等指标提出了愈加严苛的要求。活塞作为柴油机的核心部件，其工作环境恶劣，活塞的工作情况很大程度上决定了发动机的稳定性与耐久性。利用现有的测量和仿真技术对活塞模型进行分析，从活塞材料、几何结构、冷却方式等方面进行优化是提高柴油发动机性能的有效途径。

柴油发动机活塞的寿命与稳定性取决于多方面的设计。在在活塞顶材料方面，几十年来，高温强度好、低导热、小密度、高弹性模量、抗磨擦性好的陶瓷材料一直是国内国际的研究方向，很多技术瓶颈尚待突破，同时较为成熟铝合金材料也不断改进已适应更高要求。得益于飞速发展的cad/cae、fem、cfd技术，线圈遥感测量等先进测量技术，对活塞内特定点的温度进行测量，在此基础上合理假设活塞的热边界，利用计算机建立数值模型进行分析，得到了具有工程价值的分析结果。随着计算机技术和建模方法、高温高压下的测量技术的进步，对柴油发动机活塞的几何形状、高温强度、活塞内多物理场耦合分析的研究国内国外近十几年来发展很快。国外有:对多缸柴油发动机多物理场的三维建模方法、柴油发动机不同几何形状燃烧室内流场和温度场的实验和数值研究、柴油发动机的非线性有限元应用、活塞通道冷却系统的多相耦合流体和热传导流体动力学建模、汽车发动机冷却方式研究等。国内有：柴油发动机活塞静强度分析、柴油机活塞组的有限元三维耦合分析、非对称结构活塞的有限元计算、活塞在温度和机械载荷作用下的有限元分析、内燃机活塞机械疲劳损伤与可靠性研究等。而其中多物理场耦合、计算流体动力学的应用还有很大发展空间。

发动机活塞设计及有限元分析能够以较低成本、较短周期对特定的活塞产品进行失效分析、强度校核、疲劳寿命预测。是进一步根据需求进行材料强化、几何优化避免应力集中、不同冷却方案分析从而达到提高发动机性能、稳定性和寿命、减少排放和燃油消耗的前提。

2. 研究的基本内容与方案

1. 基本内容

   1. 发动机活塞几何建模：以东风4h发动机和dci11发动机（钢活塞顶和铝合金裙部）为参考，根据发动机活塞设计相关的规定，确定活塞的几何尺寸。用达索公司的catia软件绘制平面草图，再通过拉伸旋转等工具生成实体零件图。应该注意其中活塞换沟槽的夹角、油冷通道等细节部分。最后确保三维模型没有错误，避免导出至有限元分析软件后发现无法划分网格的错误，影响研究进度。

   2. 三维模型的有限元网格划分：三维模型正确的前提下，用ansys公司的ansys软件根据要求应力分析、热分析、热-力耦合分析或疲劳分析等进行相应的实体单元选取与划分，在局部需要进行网格的优化，避免因网格划分造成应力集中或者数值不收敛，影响结果精度。

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      3. 研究计划与安排

      第1-3周：查阅相关书籍，了解设计所需要的相关知识，并且完成开题报告；

      第4-6周：去工厂或是实验室观察活塞的实际构造以及生产过程，全面了解活塞；

      第7-10周：绘制设计活塞的二维、三维尺寸图，设计完后做相应的检查；

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      4. 参考文献（12篇以上）

      [1] 成大先主编，机械设计手册（1-5卷）[m]. 化学工业出版社，2002

      [2] 唐增保等主编，机械设计[m]. 华中理工大学出版社，2004

      [3]何屹活塞在温度和机械载荷作用下的有限元分析〔d]大连:大连海事大学，2007

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