摘 要

随着汽车数量的不断增长，汽车的性能已经成为了人们关注的重点，而发动机作为汽车的心脏，其工作状况的好坏将直接影响汽车的动力性。活塞作为发动机中最重要的部件之一，在发动机工作过程中承受着十分复杂的机械载荷和热载荷作用，因此对活塞的应力应变和温度场分布的研究具有十分重要的意义。

本文首先基于已给条件，设计出4108型柴油机和活塞，然后利用CATIA软件对设计出的活塞进行三维实体建模，再将简化后的模型导入到ANSYS workbench中进行网格划分，建立有限元分析模型。

其次，参考有关文献和利用经验公式计算出活塞在机械载荷和热负荷作用下的边界条件，对活塞在单独机械载荷、热负荷及热-机耦合作用下的应力应变分布和温度场分布进行计算，得到了合理的计算结果。

最后，通过对比分析三种计算结果，我们可以得出结论：活塞销处是出现应力集中的主要区域，在耦合场作用下，机械载荷对活塞的影响主要集中在裙部，热负荷对活塞的影响主要集中在裙部。

关键词：活塞、有限元、应力应变、温度场

Abstract

With the continuous increase of the numbers of cars, the performance of the car has become the focus of our attention. The engine is the heart of the car and its working condition will directly affect the power of the car. As one of the most important components in the engine, the piston is subjected to super complicated mechanical load and thermal load during the working process of the engine. Therefore, it is of great significance to study the stress and strain and temperature field distribution of the piston.

In this paper, firstly, based on the conditions given, the 4108 diesel engine and piston are designed. The software CATIA is used to model the designed piston, and then the simplified model is imported into ANSYS workbench for mesh and finite element analysis.

Secondly, with reference to relevant literature and empirical formulas, the boundary conditions of the piston under mechanical load and thermal load are calculated, and the stress-strain distribution and temperature field distribution of the piston under the combined mechanical load, thermal load and thermo-mechanical coupling are calculated. As a result, we got a reasonable calculation result.

Lastly, by comparing and analyzing the three calculation results, we can make a conclusion that the piston pin is the main area where stress concentration occurs. Under the action of the coupling field, the influence of mechanical load on the piston is mainly concentrated on the skirt. The influence of heat load on the piston is mainly Focus on the skirt.

Key words: piston, FEA, stress and strain, temperature field

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 2

1.3本文研究内容及方法 3

第2章 4108柴油机和活塞设计 4

2.1 柴油机结构参数设计 4

2.1.1 初始条件 4

2.1.2 发动机的类型 4

2.1.3 基本参数 4

2.2 热力学计算 5

2.2.1 参数选择 5

2.2.2 计算过程 5

2.2.3 指示参数计算 8

2.2.4 有效参数计算 9

2.3动力学计算 10

2.3.1参数选择 10

2.3.2 气体力 10

2.3.3往复惯性力 11

2.3.4 合成力 12

2.3.5 分解力 13

2.4 活塞设计 16

2.4.1活塞材料的选择 16

2.4.2活塞顶厚度 16

2.4.3活塞高度H 16

2.4.4活塞头部 17

2.4.5活塞裙部 17

2.4.6活塞销设计 18

第3章 活塞的有限元模型 19

3.1柴油机和活塞的基本参数 19

3.2模型建立 20

3.3模型简化 21

3.4网格划分 22

3.5本章小结 23

第4章 活塞的有限元分析 24

4.1机械负荷下的有限元分析 24

4.1.1机械负荷的边界条件 24

4.1.2有限元分析 26

4.2热负荷作用下的有限元分析 29

4.2.1热负荷的边界条件 29

4.2.2有限元分析 32

4.3热-机耦合作用下的有限元分析 34

4.3.1热-机耦合的边界条件 35

4.3.2有限元分析 35

4.4本章小结 36

第5章 结论 38

5.1结论 38

5.2展望 38

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1选题背景及意义

随着科学技术的不断进步和社会的持续发展，发动机尤其是柴油机已经成为了众多工业生产机械中不可缺少的重要动力。发动机素有汽车“心脏”之称，研究其动力性是了解发动机的基础。而活塞作为柴油机的重要部件，活塞的工作性能和工作环境的好坏将直接影响发动机的工作性能。活塞在复杂的工作环境中极易出现失效和性能问题，因此对活塞的研究是十分必要的。我们对活塞在热负荷和机械负荷作用下进行有限元分析计算，得到活塞的应力和应变分布，从而对活塞进行优化设计。

1.2国内外研究现状

针对发动机活塞的分析和研究，国内外学者做了大量工作。目前常用的方法就是有限元分析法，先借用CAE软件对活塞建立实体模型，然后利用有限元分析软件对其进行网格划分，分析其应力场和温度场。

1.2.1国内研究现状

针对活塞的研究，国内学者做的工作有：赵振月通过热分析理论，在Pro/E中建立活塞模型并利用ANSYS进行有限元分析，分析了计算热负荷和机械负荷在单独作用时以及耦合场中不同条件下的应力和变形，并且获得了合理的计算成果^[1]；苌转，赵云磊通过简化活塞模型，建立四分之一活塞模型，后利用有限元分析活塞热负荷，并对其进行优化改进使活塞满足设计要求^[2]；孙庆荣，杨洋通过对活塞力学模型的分析，根据活塞的实际受力情况对活塞施加约束并对其进行有限元分析，完成了对活塞在机械负荷作用下的应力和变形分析^[3]；孙秀永，王虎，洪锦以某4105型柴油机为研究对象，在SolidWorks中建模然后利用第三类边界条件对其进行稳态温度场和热变形进行计算，求得活塞的温度场和热流密度分布情况^[4]；刘猛利用GT-power对柴油机的工作过程进行仿真模拟，对比分析了活塞的头部和裙部的热应力和机械应力^[5]；刘先一通过多体动力学仿真技术利用ADAMS对某4105型发动机的曲柄连杆机构进行动力学分析，并对连杆进行有限元分析其应力对其进行结构改进^[6]；陈刚，蓝宇翔，程婧对柴油机活塞进行建模分析，弄清其热应力和机械应力分布规律以改进活塞设计^[7]；杨永春，杨婷，石代龙，白书战，王桂华对钢顶和铝裙的组合式活塞在多工况下进行有限元分析校核其疲劳强度使其满足设计要求^[8]；王福洋，公维晶，李亮对活塞模型进行有限元分析得到温度场分布，再采用间接耦合法，将位移、力学、机械载荷及热载荷等加载到对应的结构上进行迭代计算并进行优化使其符合设计要求^[9]；施超，马成，李光明，汪江通过定义边界条件，施加约束、载荷、初始条件以及时间变化等，分析多种工况下柴油机的温度场从而改进活塞^[10]。

总的来说，国内对于活塞的研究已经包含了多个方面，从对活塞单一元件如活塞头、活塞销的分析，到对活塞整体的机械载荷的应力分析和热负荷下的温度场分析及其耦合分析，温度场分析又包括瞬态场分析和稳态场分析。而对于活塞温度场的研究是一个难点，由于活塞温度场的边界条件较为复杂，要得到比较精确的结果，多采用的方法是利用GT-power或AVL等仿真软件对活塞工作情况进行模拟，从而得到较为准确的边界条件。

1.2.2国外研究现状

国外学者对于活塞的研究也做了大量工作，普遍采用的也是有限元分析法。国外学者做的工作有：G.Siva Prasad , K.Dinesh Achari , E.Dileep Kumar Goud , M.Nagaraju , K.Srikanth以两种不同材料的铝合金4032和铝硅合金钢4340制成的活塞为研究对象，通过有限元分析得到轻质材料可用于发动机的故障安全设计^[11]；V G Cioată, I Kiss, V Alexa and S A Rațiu对活塞作用于烟气和热负荷压力时使用有限元分析法快速得到了应力和变形^[12]；Dilip Kumar Sonar, Madhura Chattopadhyay对铝合金活塞对比分析热应力和机械负荷下的作用效果，发现活塞首先由于热负荷失效^[13]；Praful R. Sakharkar，Avinash M. Wankhade对活塞建模进行热分析以提高活塞的质量，以承受高的热应力和结构应力，同时降低活塞上端的应力集中^[14]；Hitesh pandey , Avin Chandrakar , PM Bhagwat对不同材料的活塞进行热应力比较，介绍了网格优化的方法，得出结论由于铝合金具有高导热性，在与铸铁和结构钢作为活塞材料相同的工作条件下具有最小的热应力和机械变形^[15]。

总的来说，国外学者所做的研究也是多方面的。为了有限元分析的精确性，有对网格的细分的细节进行探讨；还有对不同材料的活塞做对比分析，以得到最适合的活塞材料；也有组合式活塞进行研究，在使活塞满足承受应力应变的情况下，活塞不同部位采用不同的材料，使经济成本降到最低。

1.3本文研究内容及方法

本文研究的对象是4缸直列缸径为108mm的柴油机活塞。首先基于已有条件设计出活塞模型数据，在CATIA中建立活塞三维实体模型，然后进行适当简化。简化是对活塞的形状结构及细小的边角进行简化，对后续ANSYS中进行的处理起到简化计算过程的作用，从而节省计算时间，但对计算结果的影响却很小。首先利用已给参数求出活塞所受机械负荷的边界条件，在本文中，我们只研究瞬时状态下，即最大燃气压力状态时活塞所受负荷的情况。然后导入ANSYS中进行机械载荷下的分析计算，求出相应的应力和应变。结合经验或半经验公式并参考相关文献，计算出活塞的温度场的边界条件，导入到ANSYS中进行热分析，求出相应的温度场；最后结合机械作用和温度场的耦合作用得出活塞的应力和应变分析结果。综合以上分析结果，对活塞提出一定的优化策略，为活塞的结构设计提供理论依据。

第2章 4108柴油机和活塞设计

2.1 柴油机结构参数设计

2.1.1 初始条件

有效功率（kW）/转速（r/min）：60/2400

2.1.2 发动机的类型

立式、直列、水冷、四冲程、自然吸气、4缸

2.1.3 基本参数

气缸直径：108mm

活塞行程：115mm（曲柄半径：57.5mm）

压缩比：

发火顺序：1-3-4-2

标定功率（Kw）/转速（r/min）：60/2400

最大扭矩（N·m）/转速（r/min）：250/1200~1600

连杆长度：200mm

每缸工作容积

总容量

曲柄半径和连杆长度比R/L=0.2875

平均速度

2.2 热力学计算

2.2.1 参数选择

过量空气系数：Φ_a=1.5

最大燃气压力：

Z点热利用系数；

残余废气系数：γ=0.05

示功图丰满系数：

残余废气温度：

机械效率：=0.8

大气压力

环境温度T₀=293K

燃油低热值：

燃油平均质量成分：C=0.87，H=0.126，O=0.004

2.2.2 计算过程

（1）换气过程参数

①取，则进气终点压力为

②取进气加热温升ΔT=20K，则进气终点温度

③充气效率

（2）压缩过程计算

①选取压缩过程平均多变指数

②压缩过程任意一点x的压力

（2.1）

式中：，

X点气缸容积—x点从上止点算起的曲轴转角，

③压缩终点压力和温度

④压力升高比λ

（3）燃烧过程计算

①完全燃烧所需理论空气量L₀

②缸内新鲜充量M₁

M₁=Φ_a L₀=1.5×0.495=0.7425kmol/kg

③理论上完全燃烧（Φ_a=1）时的燃烧产物摩尔数M₀

④当Φ_a=1.5时的多余空气量

（-1）L₀=0.2475kmol/kg

⑤燃料产物M₂

⑥理论分子变更系数μ₀

⑦实际分子变更系数μ

（2.2）

⑧压缩终点的混合气平均定容比热

⑨燃烧终点温度T_z计算：根据混合循环发动机燃烧方程式

（2.3）

将已知数据代入整理得：

又由

得

将上式代入，用求根公式解得

⑩初期膨胀比ρ

（4）膨胀过程计算

①后期膨胀比δ

②选取膨胀过程平均多变指数n₂=1.25

③膨胀过程中任意点x的压力

（2.4）

式中为x点的气缸容积，求法与相似。

④膨胀终点的压力和温度

2.2.3 指示参数计算

（1）平均指示压力的计算

0.883MPa

（2）指示热效率

（3）指示燃油消耗率

2.2.4 有效参数计算

（1）有效热效率和有效燃油消耗率

（2）平均有效压力和有效功率的校核

（3）有效功率误差e

2.3动力学计算

2.3.1参数选择

活塞质量：1.32kg

活塞销质量：0.58kg

活塞环总质量：0.088kg

连杆大头质量（直开口kg）：1.67kg

连杆小头质量（kg）：0.624kg

连杆长度：200mm

2.3.2 气体力

根据气体作用力公式：

（2.5）

其中：p为活塞顶上的压力；

为活塞背压。

气体作用力与曲轴转角关系如下图2.1所示：

图2.1 气体力与曲轴转角关系曲线图

2.3.3往复惯性力

根据往复惯性力公式：

（2.6）

其中：往复运动质量，为活塞组质量，为连杆小头质量，kg；

ω为角速度，。

往复惯性力与曲轴转角关系曲线图如下图2.2所示：

图2.2 往复惯性力与曲轴转角关系曲线图

2.3.4 合成力

根据合成力公式，作用在活塞销处的合力：

（2.7）

合成力与曲轴转角关系如下图2.3所示：

图2.3 合成力与曲轴转角关系曲线图

2.3.5 分解力

将合成力分解后得到的其他力，根据公式得：

活塞侧推力：

（2.8）

连杆推力：

（2.9）

切向力：

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