摘 要

随着人们对动力水平的要求不断提高，内燃机功率不断升级，同样排量下将其压榨出更高的动力。而在实际应用中，内燃机是整个系统中对于工作的环境要求相当严格的一种零件。活塞之所以要校核强度载荷，是因为其要在具有很大热负荷和机械负荷的环境中工作运行，会受到外界的作用力及扭矩，并且承受大量的热。因此在活塞设计中对活塞的结构进行优化，以及对活塞进行热负荷分析及强度分析极为重要。为此，相关从业人员对活塞的结构设计以及材料选用不断开展深入研究，以提高活塞的机械性能，优化活塞的传热降低热负荷，提高发动机的安全性、可靠性和耐久性。

本文基于内燃机设计的基本内容，对某柴油机的活塞进行设计和校核计算，对活塞进行建模。然后利用BOOST软件对该柴油机的工作过程进行仿真模拟，活塞的热边界条件是利用结果分析计算得出的。最后对于活塞工作过程中受到的外界作用力及扭矩和承受的热负荷是利用有限元分析软件ANSYS Workbench的出的结论，获得工况因素对活塞变形的影响。而对于不同工作状态下的活塞所受应力值及强度载荷过重的部位是通过对活塞在热应力及热机耦合应力下的形变的计算得出的结论，从而能够完成对活塞的设计计算与分析。

最后得出该研究的结论：通过对运行中的活塞的结构的设计计算与分析以及校核，该活塞基本满足设计要求，可以保证正常工作的需要。

关键词：柴油机；活塞；有限元；温度场

Abstract

This article first simulates the combustion space of a 650t / day floating glass oven.Then transform it into a oxy-fuel one with the model and compare them. The results have important guiding significance in transforming float glass furnace from air-fuel to oxy-fuel combustion.

As people ’demand for power continues to increase, the power of the internal combustion engines continues to increase, with the same displacement, being pushed out of the higher power. As one of the toughest parts in the working environment, the piston faces higher thermal and mechanical loads, which puts stricter tests on the piston strength. Therefore, it is extremely important to optimize the structure of the piston in the piston design, as well as the thermal load analysis and strength analysis of the piston. To this end, relevant practitioners continue to conduct in-depth research on the structural design of pistons and the selection of materials to improve the mechanical performance of pistons, optimize the heat transfer of pistons to reduce thermal loads, and improve the safety, reliability and durability of engines.

Based on the basic content of internal combustion engine design, this paper designs and checks the piston of a diesel engine and models the piston. Then use the BOOST program to simulate the diesel engine working process, and use the results to analyze and calculate conditions for the thermal limits of the piston. Finally, ANSYS Workbench finite element analysis software was used to perform convection analysis and force analysis on the piston to obtain the effect of working conditions on the piston deformation.Calculate the deformation of the piston under thermal stress and thermomechanical coupling stress, and obtain the stress value and deformation value of the piston and the dangerous part under different working conditions, which play a guiding role in the design of the piston.

The final research results show that: through the analysis, calculation and verification of the design of the piston, the piston basically meets the design requirements and can guarantee the needs of normal work.

Key Words：Diesel engine； piston ；finite element;；temperature field

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 2

1.3 国内外发展现状 2

1.4 本课题研究的对象及主要内容 3

第2章 活塞有限元分析理论 4

2.1 热分析理论 4

2.1.1 导热基本定律 4

2.1.2 导热微分方程 4

2.1.3 导热微分方程的定解条件 5

2.2 弹性力学理论 6

2.2.1 平衡微分方程 6

2.2.2 几何方程 7

2.2.3 应力-应变方程 8

2.3 有限元软件的介绍 8

2.3.1 有限元的思想 8

2.3.2 应用形式 9

2.4 流程简介 9

2.5 本章小结 10

第3章 活塞的结构设计 11

3.1 柴油机基本结构参数的确定 11

3.1.1 初始条件 11

3.1.2 基本结构参数 11

3.2 活塞结构的设计 12

3.3 材料特性 14

3.4 本章小结 15

第4章 柴油机活塞的热负荷分析 16

4.1 活塞模型的前处理 16

4.2 活塞传热边界条件的确定 17

4.3 活塞热负荷分析 20

4.3.1 活塞温度分布 20

4.3.2 活塞热通量分布 21

4.4 本章小结 22

第5章 柴油机活塞强度的分析 23

5.1 热负荷分析 23

5.1.1 热应力分析 23

5.1.2 热变形分析 24

5.2 活塞热、机耦合分析 24

5.2.1 机械边界条件 25

5.2.2 活塞热、机耦合场分析 25

5.3 本章小结 27

第6章 总结与展望 28

6.1 全文总结 28

6.2 展望 28

参考文献 30

致 谢 32

绪论

随着社会的不断前进，柴油机作为在动力方面的关键部分也一直在不断进步，柴油机是所有种类内燃机中热效率最高的，并且拥有功率转速范围宽、体积质量小、启动性能好、配套方便、机动性好、燃料价格较为便宜等众多优势。所以柴油机随着社会的进步不断完善优化并且被广泛的应用于汽车机械等工业过程中，在人类的生产生活过程中提供了极大的便利^[1]。

随着经济技术的发展，对能源的需求逐渐增大，使得以化石燃料为主的内燃机的使用带来了资源的损耗和环境的污染。世界性的能源与环境危机的愈演愈烈，使得以化石燃料为主的内燃机不断面临巨大挑战。内燃机既要不断降低其排放水平，又要满足人们对动力性不断严苛的要求。使得内燃机机不断朝着高转速、高功率、高可靠性、轻量化、低油耗和低排放等方向发展^[2]。

几十年来柴油机陆续应用了各种新技术，包括多气门、涡轮增压、中冷、废气再循环、高压共轨喷射、和排气后处理等，使得车用柴油机特别是陆用特种柴油机升功率、最大燃爆压力、额定转速等反应柴油机强化程度的指标不断提高^[3]。

研究背景

柴油机是整个系统中对于工作的环境要求相当严格的一种零件，活塞之所以要校核强度载荷，是因为其会受到外界的作用力及扭矩，并且承受大量的热。当活塞运行到压缩冲程上止点时，汽缸内油气混合物压燃，气体受到大量的热从而膨胀，气体在膨胀过程中产生冲击力作用于活塞，从而使其向下，而活塞带动连杆一起运动，并且使曲轴也随之一起受力运动从而做功。在气体膨胀，活塞带动连杆曲轴一起运动的整个过程中，活塞运动中出现应力跟变形作用一方面是由于热的原因，在高温燃气的作用下受到大量的热产生了受到由于高温燃气产生的热负荷而产生的，另一方面是由于力的作用，及在燃气剧烈膨胀以及活塞运动中产生的惯性力的条件下形成的机械作用。活塞也会在一定条件下不能正常工作运行，即热负荷与机械负荷同时作用的条件下会使活塞产生破坏或故障^[2]。