汽油機活塞的熱力耦合應力分析,汽油機,活塞,熱力,耦合,應力,分析 畢 業(yè) 設 計（論 文） 設計(論文)題目： 汽油機活塞的熱力耦合應力分析 　　　　　　　　 學生姓名： 二級學院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 II Abstract III 1 緒 論 1 1.1活塞有限元分析的意義 1 1.2活塞有限元分析國內外研究狀況 1 1.3課題研究的內容 2 2 汽油機活塞有限元模型的建立 5 2.1 有限元的基本概念 5 2.2 有限元程序建模環(huán)境介紹 5 2.3 活塞有限元模型 6 3 汽油機活塞的有限元分析 9 3.1 溫度場計算 9 3.2 活塞機械負荷的確定 11 3.3活塞物理特性的確定 11 4 汽油機活塞熱力耦合的結果分析 13 4.1活塞有限元模型的網格劃分 13 4.2活塞有限元分析結果 13 5汽油機活塞的優(yōu)化 16 6結 論 18 參考文獻 19 致 謝 20 III 摘要 汽油機活塞的熱力耦合應力分析 摘 要 本文首先對汽油機活塞有限元研究的意義、研究狀況進行了介紹；并介紹了用于本文建模、分析的軟件——creo和hypermesh，包括creo的大致功能模塊和hypermesh的運行環(huán)境。然后簡要介紹了對汽油機活塞建模和分析的過程，其中對活塞的運行邊界條件做了具體說明，比如活塞各部分的溫度和換熱系數、還有活塞在工作情況下的機械載荷。接著就hypermesh分析的結果對活塞的應力情況做詳細分析。最后根據情況對活塞的結構進行了優(yōu)化。 關鍵詞：汽油機活塞；有限元；邊界條件；應力分析；優(yōu)化 Abstract The stress analysis of petrol engine piston on thermal and mechanical coupling Abstract In this article, I firstly introduced the meanings and status about the research of the piston finite element, and also creo and hypermesh which has been used during the process of model establishing and analyzing, including the general function module of creo and hypermesh's operation environment. Then I showed a brief introduction to the establishment and analysis of the petrol engine's piston , which contains detailed descriptions of piston's boundary running conditions, such as the temperature and the coefficient of heat transfer in each part, and the mechanical load of work situation. In the next is the detailed analysis of piston's stress conditions according to the result of hypermesh's analysis result. At last I optimized the piston structure as the circumstance may require. Key words: Petrol engine piston; The finite element; The boundary conditions; Stress analysis;Optimizing 第1章 緒論 1 緒 論 1.1 活塞有限元分析的意義 汽油發(fā)動機作為一種能量轉化裝置，就是把空燃混合氣燃燒所產生的化學能轉化成供曲軸轉動的機械能。在這個過程中，氣體壓力推動活塞、連桿、曲軸運作，實現(xiàn)整個循環(huán)工作?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的這一兩百年中，發(fā)動機一直在改進，雖從外觀上來說并無多大變化，但整體的性能一直在不斷提高。近年來為適應環(huán)保這一全球性主題，發(fā)動機也在被持續(xù)改進中，其在減少有害排放物和減輕震動與噪聲方面取得了一定進步。 轉速和功率的提高是發(fā)動機發(fā)展的一個總趨勢，但是這個趨勢就會使缸內的燃氣爆發(fā)壓力和溫度都有所上升。如果壓力增加，活塞組的各個零件所承受機械負荷便會提高，同時這也容易產生敲缸現(xiàn)象并加大發(fā)動機的工作噪聲。如果燃氣溫度升高，那么與燃燒室接觸的發(fā)動機零件也會受到影響，從而導致受到的熱負荷增加，于此關聯(lián)的熱應力和熱變形也將變大。這時候零件材料的一些性能就會受到影響，比如強度等，最后的結果就是發(fā)動機的使用壽命會減少。 活塞是發(fā)動機中最重要的零部件之一，它的主要作用是承受空燃混合氣燃燒產生的氣體的作用力，然后推動連桿、曲軸傳輸動力?；钊捻敳颗c氣缸壁和氣缸蓋共同組成的燃燒室，所以，活塞的頂部就是直接接觸高溫燃氣的地方，散熱性又不好，導致其承受的熱負荷極大?；钊母鞑糠钟稚岵煌?，使其溫度分布不均衡，由此既產生了熱應力又有了熱變形?；钊氖芰σ脖容^復雜，如燃燒室里產生的氣體壓力、在缸內作高速往復時的慣性力、氣缸壁給的側向力及摩擦力等，這些同時也產生了機械應力和變形。 活塞作為發(fā)動機的“心臟”，活塞設計的好壞，直接影響著發(fā)動機的經濟適用性、安全可靠性等，它也是當今制約發(fā)動機進一步發(fā)展的關鍵因素之一。在惡劣的工作環(huán)境中高速往復運動，它所承受的機械負荷和熱負荷必定是很高的，所以，難免會產生咬缸、拉缸、結膠等故障。因此，對活塞在工作環(huán)境中的一些狀況進行分析很是必要，在燃燒室中，活塞是重要的組成部分，是標準的熱力耦合受體，本文將就其在熱、力載荷下的應力情況做深入研究。 1.2 活塞有限元分析國內外研究狀況 活塞的強度是發(fā)動機整體可靠性的關鍵，而活塞的制成材料、其設計的結構形狀，還有加工工藝等都會對活塞的強度有一定影響?；钊臏囟?應力耦合場的計算也日趨成熟，現(xiàn)在，被大家廣泛運用的活塞分析方法是有限元法，它是先進行熱力的分析，根據一些傳熱公式還有一些實驗數據來確定活塞的溫度邊界條件，然后在有限元分析軟件上進行溫度場的模擬，再在此基礎上對活塞模擬施加實際工況下的載荷，由此獲得活塞在熱力耦合作用下的應力及應變情況。 對汽油機活塞的有限元分析，國內外的專業(yè)人士一直是不間斷的，同時也取得了一些進步。在70年代，上海復旦大學聯(lián)合上海內燃機研究所就已開始對活塞進行了有限元分析，只是當時還是運用的軸對稱三角形單元；80年代初，上海交通大學就活塞的熱邊界條件作了深入研究，同時華中理工大學也在尺寸優(yōu)化上做了深入分析。然而這些研究也只是對停留在軸對稱或者二維階段，不能較全方位的對活塞工作情況做研究。 經過這小幾十年有限元的快速發(fā)展，特別是在90年代后計算機技術不斷提高，關于汽油機活塞各方面性能的研究也漸漸深入。方華和周先輝分別在吉林工業(yè)大學和華北工學院，但兩人合作對活塞進行多方面的有限元分析（熱負荷下的變形及應力、機械負荷下的變形和應力、熱力耦合情況下的應力變形），然后發(fā)現(xiàn)，活塞的各部分的應力和應變是不均勻的，無論是在上面哪種情況下。在變形方面，橫截面的形狀呈橢圓，活塞頭部沿著徑向到底部，程度在慢慢減小，橢圓度也在變小。而變形后橢圓的長軸方向與銷孔的軸線方向一致，這樣便容易產生拉缸現(xiàn)象。以上這樣的變形情況也讓活塞的橫截面朝著縮短銷孔兩面距離的方向發(fā)展。機械負荷導致了銷座內側開裂，熱負荷導致了冷卻油腔的開裂，而這兩處的應力峰值通常會對活塞造成破壞。因此，設計活塞頂部時，應盡量圓滑，減小該處的熱應力。 近年來，好多研究人員都對汽油機活塞熱力耦合作用下的應力應變做了深入研究，也得出一些結果。比如，某發(fā)動機等效應力最大的地方是活塞銷孔上側面，活塞銷座到活塞頂部有一段過渡部分，這里會產生一部分相對集中且較大的應力，但縱觀總分布，其應力分布還是相對分散、均勻的。燃燒混合氣產生的壓力很大，且直接作用在活塞頂部，即使會讓活塞產生一點位移，但其值很小，在某些研究方面是可以不考慮的。 同濟大學的鄭百林對汽油機活塞在熱、機負荷下的應力進行了有限元分析，同時得到了活塞的溫度場分布和變形及強度，為了更全面，他也對柴油機進行了相同分析。得到結論：在正常的工作條件下，第一道環(huán)槽邊的溫度值院不會高于220℃。在熱機耦合作用下，就活塞頭部而言，Y方向上第一環(huán)槽外邊緣的位移值（-0.1974mm）最大；x方向上的最大位移一般會在頂邊的角點處，得到的數值是0.3337mm；z方向上會出現(xiàn)負向位移數值是-0.3096mm，地點在另一頂邊角點處；三個方向的位移無論正副，沿著周向都會有接近為零的趨勢。橢圓形也是橫截面變形后所呈的形狀。 經過20多年的努力，我國在活塞方面的研究也逐漸深入，但相比國外的一些研究還是稍有一定差距.現(xiàn)在國外在研究內燃機時，都會采用耦合活塞組研究活塞的受力，這樣分析會更精確些，雖然我國也漸漸采用這種方式研究，但始終還沒有普遍。 1.3 課題研究的內容 1.3.1課題研究的實際操作簡介 活塞在正常工作條件下，所受到的外界負荷一般都是瞬態(tài)的，無論哪個時刻這些環(huán)境都無法確定，例如：活塞各部位的溫度和散熱、工作時受到的燃燒室氣體所給力的大小及分布狀況、某些部位的受力情況等，所以在考慮對分析結果影響的大小后，在正式工作時做了一些簡化和工況的模擬。我通過閱讀大量文獻，來確定活塞的熱邊界條件和機械受力情況，具體技術路線如圖1.1所示。 溫度邊界條件 活塞有限元網格 溫度場計算結果 活塞幾何模型 機械應力邊界條件 結果分析 熱力耦合應力計算結果 圖1.1 課題技術路線圖 活塞高速往復運動時受到高溫燃氣的壓力作用，燃燒室中的高溫燃氣通過活塞頂部和火力岸把熱量傳遞給活塞內部，接著熱量從活塞環(huán)槽、各個環(huán)岸還有裙部傳遞到與之相鄰的缸套，冷卻液的熱量也由活塞內腔的冷卻油道傳入，同時熱量還在活塞銷座處與活塞銷之間傳遞。在hypermesh中要求活塞的溫度場，則需要其各個部位的溫度和換熱系數。換熱系數會隨著部位的不同而不一樣，比如在活塞頂的換熱系數就和在活塞環(huán)槽的換熱系數以及活塞和冷卻液間的就有明顯區(qū)別。發(fā)動機工作時，一次循環(huán)中燃氣的溫度變化急劇，然而溫度的波動受厚度影響比較大，在活塞表面2mm內波動有點大，但在2mm以外，活塞的溫度就穩(wěn)定了。四缸發(fā)動機中，如若要計算溫度場，則要取同一時段燃燒室內溫度最高的缸進行計算，設定穩(wěn)態(tài)情況下活塞各部位的溫度和傳熱系數作為分析計算的邊界條件。根據閱讀大量文獻，找到與本文工況相類似的情況，然后借鑒它們的換熱系數和溫度場，得出本文的熱負荷，最后得出該活塞的溫度場。 當爆發(fā)壓力達到頂值時，活塞的重要載荷有高溫氣體燃燒時的作用力、高速運轉時的慣性力和缸壁所給予的側壓力。當不考慮活塞的往復作用力會使得活塞的運動沒有那么危險的益處，因為它的作用力方向正好和氣體燃燒時的作用力方向相反，所以，在施加機械負載時往復慣性力就忽略了。根據實際情況和前輩們的試驗經驗，氣缸壁所給予的側壓力對活塞結構的變形影響較小，計算時也暫忽略此力。 活塞環(huán)槽是活塞的重要部位之一，氣環(huán)與活塞的結合使氣缸工作腔的密封得到了保障，它們一起可以讓高溫燃氣不能從活塞和氣缸的細微間隙中進入，讓活塞和活塞環(huán)因高溫被破壞?；钊h(huán)槽又是直接接觸活塞環(huán)的地方，所以必然重要。但正是因為氣環(huán)和油環(huán)的存在，間隙就在氣缸和活塞之間產生，使兩者并不會直接接觸，增加了安全性。 綜上所述， 在利用有限元軟件求解時，可以在先利用活塞各部位的溫度和換熱系數得到溫度場， 再把溫度場當做已知的邊界條件，就可以得到活塞在熱負荷下的熱應力分布，最后把最大爆發(fā)壓力時的載荷分布耦合上去，就能得到活塞在熱-機耦合作用下的應力分布變化，再結合材料的許用應力和整個結構發(fā)現(xiàn)危險區(qū)域。本文還就活塞的結構做了簡要的優(yōu)化，使結構更加合理化。 1.3.2本文的章節(jié)概括 第1章是緒論部分，對汽油機活塞有限元分析的意義、國內研究情況進行了簡單說明，并對本文所要用到的一些數據背景，技術條件做了簡要概括。 第2 章是活塞建模部分，在creo軟件中，嚴格按照某汽油機活塞的尺寸建立模型，并對一些對活塞應力影響不大、卻能導致網格劃分不成功計算不精確的因素進行忽略，比如圓角、倒油槽和拔模斜度等，再把模型導入hypermesh軟件。 第3章對活塞的整體模型進行了分析，通過查閱資料、類比工況，確定了本活塞的物性條件和熱邊界條件，精確的計算出活塞所受的頂部燃氣壓力，往復運動慣性力等，然后再把這些力按照實際情況施加于剛進行熱分析過的活塞上，來得到活塞的熱力耦合應力分布情況。 第4章是在活塞三維模型導入有限元軟件后，進行參數定義、網格劃分等操作，得到活塞在熱力耦合情況下的位移情況和應力情況，并分析了在活塞的不面的應力分布，同時也得到了活塞的最大應力值產生的地方，為下面對活塞結構的優(yōu)化做準備。 第5章就是對活塞的結構做了優(yōu)化，并用在此用有限元分析證明優(yōu)化后結構的可行性 。 第6章則是總結本次研究，對一些結果作了整理，還有一些欠缺的地方也做了反思和展望，希望在以后的工作中能把不足漸漸補上。 4 第2章 汽油機活塞有限元分析模型的建立 2 汽油機活塞有限元模型的建立 2.1 有限元的基本概念 有限元法(FEA, Finite Element Analysis)的基本概念是把實際中一些復雜的問題用簡化了后的單位、模型來解決。它把問題的求解域看成是由大量子域組成的，這些子域都是很小并且相連的有限元單元，然后這些單元設定一個較為合適的(不復雜就行)近似解，接著根據實際問題得出求解這個域所要滿足的條件(如受力的平衡)，從而進行求解答案；這個解也并不是一個很精確的，僅為一個近似解，是因為原本復雜的實際問題用一些簡單的方法解決了；但是大多數現(xiàn)實問題要真的得到準確解是比較困難的，而通過有限元法的分析，結果既精度高，又可以應對各種復雜結構，因此其便變成了行之有效的工程分析手段【1】。使用有限元法分析法的基本思想和做法大致如下: 1) 物體離散化； 2) 單元特性分析； 3) 單元組集； 4) 求解未知節(jié)點位移； 5)多物理場耦合【2】。 有限元漸漸發(fā)展成應對復雜數學物理問題的關鍵手段，在復雜工程問題上也起著關鍵作用，是現(xiàn)代科研的重要手段之一。目前，有限元分析法在仿真方面已逐漸成熟，通過大量的實驗證明，有限元法與實物試驗法相結合的時候，效率又高又經濟。因為有限元法比較方便又能做到相對準確，所以，它在實踐運用中相當受重視，也被頻繁應用?？梢哉f運用有限元法進行各種分析已變成大多數學者研究的選擇。當前，一些國內外主流的CAE軟件有RADIOSS,HYPERMESH,ANSYS,ABAQUS,ADINA,MSC/MARC,等。 2.2有限元程序建模環(huán)境介紹 2.2.1HYPERMESH有限元程序的簡單介紹 HYPERMESH是一個有限元分析軟件，它功能比較齊全，既有CAD功能又有CAE功能，是一個相對強大是集成。它的前處理一般用來建模、設定約束等，后處理模塊則用來計算分析、顯示結果的，所有的功能都是為了讓產品設計更加合理真實。 要對一款產品進行分析，首先是對其建模（當然，也可以從其他三維軟件中導入），再者就是其他一些前處理（比如：網格劃分、施加約束和載荷等），最后便進入查看分析結果階段。 2.2.2活塞的幾何建模 活塞的結構比較復雜，各種不規(guī)則的形狀拼接在一起，導致在3D建模時要考慮的方面變多，主要是既要保證整體模型的準確性，還是在此基礎上確保有限元分析的可行性。 對于本文采用的汽油機活塞，以對結果的影響為依據，有些小圓角、小凹槽是可以簡化甚至忽略的，這樣，既可以表達整個活塞模型，又不至于讓網格劃分過程太復雜，也讓結果達到準確，為之后的分析操作帶去方便。 在這里，我將把基于有限元的幾何模型與一般是幾何模型在各方面進行比較說明。對就一般的幾何模型而言，準確表達整體形狀即可，尺寸、空間位置都按實際情況畫出來，并不要求對表達方式進行體現(xiàn)，上面兩點做到就行。但是基于有限元的幾何模型要求會有點不同，它既要保證可以準確表達幾何形狀外，更要考慮之后進行分析計算的合理性，要方便的進行網格劃分、附加邊界條件等，這些也成為了一般模型能否升級成為基于有限元的幾何模型的關鍵。當然，本文研究的是活塞的受熱受力分析，這就要求活塞被建立成基于基于有限元的幾何模型，但嚴格按照實體尺寸建立的模型必然不能滿足要求，所以，要對這樣的模型做一些簡化，來更適合本研究。 一些模型結構有些復雜，處理起來也不是很簡單，所以，對不同部位就要有不同的處理，總體有下面幾條原則：①保證幾何模型完整準確（需要考慮部位結構是否可以忽略）。②重點對象重點分析（部分結構的精確度會影響整體精確度）。③模型便于網格劃分（建模時點、線分布不能過密，劃分單元大小也要選擇得當）。④便于附加邊界條件（考慮對不同面域添加不同的邊界條件）。 在遵循這些原則下，我多次嘗試建立合理基于有限元幾何模型（基于活塞的本體）。最后得到下面的一些處理經驗： ①本研究使用的活塞頂部有凹坑，位于活塞頂部的中心且是圓柱形。為考慮網格劃分，一些活塞頭部邊緣的過度圓角可以忽略。 ②對于活塞的環(huán)岸環(huán)槽來說，這里的分析結果對于最后的計算結果有重要意義，所以，這里的結構尺寸要嚴格遵照實體進行畫圖。但對于此處出現(xiàn)的一些尺寸較小的對于整體分析影響也很小的斜度來說，還是可以做一些簡化甚至是忽略，直接按照水平垂直來畫。這樣既保證的結果的準確度，也可以讓過程更順暢。 ③實際運用中，大多數的活塞裙部是呈橢圓形的，圓形的裙部應用不是很廣泛，但本研究為了更好的體現(xiàn)活塞頭部的應力分布，對于裙部就沒有那么嚴苛的要求，便使用了裙部為圓形的活塞。這樣會在建模時省掉一部分時間，也算相對合理。 ④像活塞底部和內腔這種結構并不復雜的部分，就可以直接按照原有尺寸畫。 ⑤對于軸銷座處，可以按照完整尺寸進行建立，也可簡化。當需要對其精確分析時需要精確畫出，而本研究對于此處的研究并不是主要的，所以，可簡單畫出。 ⑥像某些部位的小圓角小倒角等，因為尺寸不大，對研究結果影響也很小，所以都給予忽略，不畫。 上面的這些處理辦法，也只是大體說明一下，要到具體操作時，會更加復雜，此處就不詳細描述了。 2.3活塞有限元模型 2.3.1活塞三維模型的建立 PRO/ENGINEER 軟件包的產品都是支持并行工作的，即它能讓多個不同功能模塊同時都對單一的產品模型工作，它有一系列相關的模塊可以對產品進行建模、仿真等。它在實際生產中體現(xiàn)著許多功能，像裝配管理、仿真等大型項目，還可進行簡單的數據管理。Creo作為PRO/E的升級版，行為建模技術也改進了許多，它讓虛擬的構想變得容易實現(xiàn)。它運用的全面性可以從它強大的功能模塊中看出：工業(yè)設計(CAID)模塊、機械設計(CAD)模塊、功能仿真(CAE)模塊、制造(CAM)模塊、數據管理(PDM)模塊、數據交換(Geometry Translator)模塊【3】。 本文運用的基本就是CAD模塊。運用這個模塊可以對任意復雜的實體進行三維表達。在現(xiàn)實中，大多數物體都是不規(guī)則的，如鼠標、飲料瓶等，構成這些不規(guī)則物體的面被稱作是自由曲面。當大家對于生活質量的提升不斷提出要求時，這樣的曲面產品會更加多。顯然，只用一些二維軟件不足以表達這些曲面，這時就需要像creo這樣的三維軟件建立模型。Creo軟件里面的拉伸、旋轉、放樣、掃掠、網格、點陣等，簡單幾步就能完成曲面的建立和整體的建立。這個模塊既能把它當做是一款高性能系統(tǒng)單獨使用，又可以讓它和其它建模模塊相結合，更方便有效的解決實際問題，它支持GB、ANSI、ISO 和JIS 等標準。包括:PRO/ASSEMBLY(實體裝配)、 PRO/CABLING(電路設計)、PRO/PIPING(彎管鋪設)、PRO/REPORT(應用數據圖形顯示)、PRO/SCAN-TOOLS(物理模型數字化)、PRO/SURFACE(曲面設計)、 PRO/WELDING(焊接設計)【3】。 根據某活塞的幾何數據，用creo軟件得出了下圖2.1 圖2.1 活塞的整體三維圖 2.3.2活塞有限元模型分類 建立合適的有限元模型是運用有限元法解決實際問題的首要問題。只有模型建立的合理可靠，才能更好的得出精確的計算結果。目前，學術界要對汽油機活塞有限元模型進行研究，一般會從下面這幾種里做選擇： ⑴假設活塞對稱建立1/2、1/4模型 建立這種模型的好處是可以節(jié)省計算機的運算時間，對于以前一些性能不好的計算機來說，這樣既可以能做相對準確的研究，又不至于令硬件崩潰。但是，它也有一項不足，那就是這種模型不能準確的表達活塞的非對稱性，在實際中，活塞因為一些性能上的需求，它不會做到完全對稱。到現(xiàn)在，這樣的模型時常被選擇來做研究，因為其方便性。 ⑵考慮活塞非對稱性建立整體模型 事實上，因為存在一些文圖，會導致整個塞不是完全對稱的。像燃燒室的位置、內腔的形狀等都會對其有些許影響【4】。當要求計算結果較為可靠時，一般會選擇非對稱結構，然后取整個活塞作為模型本體?？捎捎诨钊暾哪Ｐ陀邢拊治鰰r產生的節(jié)點數較多，很大程度地提高了電腦的計算量和不確定性。 ⑶考慮相互影響建立活塞組耦合模型 以上無論是對稱模型還是非對稱模型也都只就單個活塞來說的，沒有對活塞與周圍物體間的作用考慮全面，比如活塞與活塞環(huán)之間的作用力、活塞與潤滑油膜和氣缸套三者兩兩之間的相互作用，這樣活塞的邊界條件就不容易確定了，也會讓最后分析計算結果與實際有一小段差距。近年來，計算機硬件發(fā)展日漸成熟，有限元分析軟件的功能也在不斷改進中，大部分軟件都可以把活塞、活塞環(huán)、氣缸套 和活塞銷耦合起來，并對其進行建模分析了。國外在內燃機方面的研究中，有限元分析的模型大多都采用活塞組耦合模型，國內也漸漸向其靠攏，但應用地不是很廣泛。 本文由于計算機性能的有限，和對汽油機活塞認識的不全面性，采用了1/2活塞模型進行研究。這樣雖然不能很好的反應活塞的非對稱性，但對于研究其應力分布情況和進行一些結構優(yōu)化還是足夠的。如圖2.2所示。 圖2.2 活塞的1/2三維圖 21 第3章 汽油機活塞的有限元分析 3. 汽油機活塞的有限元分析 3.1活塞溫度場計算 活塞作為組成燃燒室的一個關鍵零部件，它而且起著如傳力、傳熱和密封等很多方面的作用，工作時更容易承受很大的熱負荷，所以熱應力分析就會對了解整個活塞的工作情況有一定作用。而確定活塞溫度場的分布無疑就成了或其熱應力計算的關鍵。 要看活塞溫度場計算結果是否合理，就要看活塞頂部的溫度是否小于材料的許用值和第一環(huán)槽的溫度是否會在機油能承受的溫度范圍之內。 3.1.1活塞溫度場計算邊界條件 合理確定活塞有限元的熱邊界條件以及高溫燃氣燃燒時的溫度和活塞受到的平均壓力是有限元分析的難點之一。因為這些條件要是取值不合理會致使熱仿真的誤差加大，也會使其活塞的熱應力、機械應力和耦合應力的最終結果產生不準確性。 想要得到一個合理的活塞溫度場，就必須擁有一個較實際的熱邊界條件，選擇第三類邊界條件可以符合本次研究的要求。對于換熱系數，因為活塞各部位周圍的介質不同，所以也會有所不同，要對它們分別進行計算分析，下面就一部分的處理進行舉例說明： 活塞頂部與燃燒室氣體的換熱系數： 燃燒室燃氣的熱量通過活塞頂面到達其它部位，所以這部位的邊界條件很重要，因為它決定了整個活塞的吸熱量。在最大爆發(fā)壓力高達14MPa時，便是本研究開始工作的時候。最后可得到燃燒室的平均溫度大概是Tg=1030℃，平均換熱系數為Hm=489W/(m2·K),再由此得到頂面各地方的換熱系數。 根據Bush公式可知,活塞頂部的對流換熱系數h會沿著頂部徑向不斷變化，又已知活塞喉口處是頂部溫度和換熱系數最高的地方，由下圖可知，那里距活塞中心有60mm. 圖3.1 活塞頂面換熱系數沿徑向分布 當rN時，可使用公式： 式中：——燃氣平均換熱系數； r——距中心線的徑向距離； N——中心線到A點的距離【5】。 用來讓每一節(jié)點有唯一解的附加條件被稱為定解條件,這些條件一般是指邊界條件和初始條件。恰當地添加熱邊界條件是得到精確有限元分析結果的關鍵。要得到合理的熱邊界條件,重點在于得到各邊界與周圍介質間的溫度和換熱系數，周圍介質通常有燃氣、冷卻水和冷卻油等。在得到最終邊界條件的過程中,應該根據實際情況不斷做修正，可以運用經驗公式來得到換熱系數，包括活塞環(huán)區(qū)的、活塞裙部外邊緣區(qū)域的還有工作內腔的。以上的目的都在于要讓最終結果更合理化，提升一下計算的準確度，也為以后更為深入的研究作準備。 本文是在發(fā)動機6 000 r/ min 運轉的時候研究的。這樣，因為高速運轉,所以一些測溫度的方法就不試用了，在這里理論上要選擇硬度塞法來測表面溫度，并利用傳感器來讀取氣缸蓋的表面溫度，但由于設備有限，所以選擇通過查閱資料來獲得相關數據。 活塞頂部高溫燃氣的燃燒溫度和它的換熱系數應該通過AVL Boost 軟件運算獲得（但因為這款軟件暫時沒能購買得到，所以依舊通過查閱資料獲得）,在做功沖程時燃燒室的溫度可最高可以達到2500～2600 K,在分析時溫度一般取氣體燃燒時的平均溫度（1000～1100）K;換熱系數也取平均值（400～500 W/(m2·K)）。 以往專業(yè)人士在做研究時，一般都會把活塞火力岸處直接視作絕熱的,但是這里確實會產生熱交換,所以此處的換熱系數還是要考慮的，本文中，我選用1/5～1/4的活塞頂部平均換熱系數作為火力岸的。換熱系數，顧名思義就是熱量流動的能力，所以由于活塞側氣缸間的間隙很小，還有活塞環(huán)槽那邊結構也很小,同時這兩處的燃氣也相對較少,這樣就使這兩處的換熱系數也不會很大。 在整個研究中，換熱系數最難確定就是活塞、氣缸套和冷卻介質間的了，里面關系太復雜。活塞把熱量帶離的方式多種多樣,它既可以通過冷卻介質帶離，又可以通過活塞環(huán)和氣缸套帶離,又因為活塞、活塞環(huán)、氣缸套兩兩之間存在相對運動,所以它們的換熱系數就更難確定了。因此，本文通過一些前輩們的試驗和經驗來大概確定。 在活塞銷與銷座間因為存在相對運動，里面也會稍微有點冷卻介質,但它的換熱系數不會很高，畢竟間隙太小,而且溫度會較高?；钊唧w的主要部位的邊界條件見表3.1。 表3.1 活塞主要部分邊界條件 3.2活塞機械負荷的確定 本文研究的是活塞的耦合應力，這就包括了它機械負荷產生的應力和熱負荷下所具的應力。活塞在氣缸內運動時受到的機械負荷主要有：高溫燃氣燃燒產生的氣體壓力、高速往復運動產生的慣性力以及氣缸壁對其的側壓力。其中活塞受到的側壓力（與和相比）很小，可以忽略。事實上，活塞頭部與氣缸間會產生一些作用，使氣體壓力會沿著活塞頂面往下，根據經驗和試驗做如下設定：火力岸處氣體壓力為0.93，第一環(huán)岸處氣體壓力為0.9，第二環(huán)岸處氣體壓力為0.2，其他環(huán)岸處的氣體壓力基本可以不算了（因為相對太小了）。由查閱的相關文獻可知，在一個運動循環(huán)中，燃燒室的氣體壓力最多能達到4903kpa，本文做分析時就是在這個壓力下進行的；對于高速往復運動時的慣性力，可通過活塞活動時的加速度j來確定，公式如下： 式中：R為曲柄半徑（m）； L為連桿長度（m）； 曲軸旋轉角速度（）； 為曲軸轉角（）【12】。 套入相關文獻中的一些數據，則可得到活塞加速度j=21892。 3.3活塞物理特性的確定 本文中的所研究的活塞是鋁合金的，其物性參數為: 密度 ρ=2730 , 導熱系數 λ=163 , 比熱 C =902 , 彈性模量 E =70×109pa , 泊松比為 0.32～0.36 , 熱線性膨脹系數為 23.2×10- 6【6】。 第4章 汽油機活塞熱力耦合的結果分析 4.汽油機活塞熱力耦合的結果分析 4.1活塞有限元模型的網格劃分 有限元分析前的網格劃分對于后面的工作有重要影響。要得到盡可能合理的網格劃分情況,在確定方案前得做一些測試,來最終確定較為合理的劃分網格,這樣既不會使計算精度多低,也可以減少一定的計算時間。下圖4.1就是本研究選擇的劃分網格。這次選擇的網格劃分單元還是沒有很小，因為本次研究的目的只是對活塞進行一個應力分析，看結構是否合理，從而進行一個改進，也沒有必要對它進行非常精細的劃分，這樣反而會使計算結果有不可預測性。正常情況下，計算精度會隨著有限元單元的減小而增加?，F(xiàn)在，由于計算機硬件性能的提升，在和以往相同的計算時間內，能做的計算增加了好多倍，這樣，現(xiàn)在好多形狀復雜且受力也復雜的物體就可以選擇相對較小的單元來進行劃分，這樣計算結果會相對精確些，活塞亦是如此。 圖4.1 網格劃分圖 4.2活塞有限元分析結果 4.2.1活塞的位移云圖 內燃機在高負荷的工作狀態(tài)下，活塞所處的工作環(huán)境更是嚴峻。燃燒室內空燃混合氣被瞬間點燃，所產生的氣體溫度最高能達到2000到3000K，這對于構成活塞的鋁合金材料來說無疑是很高了。受熱膨脹，是正常物理材料的特性，汽油機活塞在受到高溫燃氣燃燒時爆發(fā)的氣體壓力時，活塞靠近氣體的部分溫度特別高，所以因急速變熱而變長，一些沒有直接接觸氣體的部分溫度則沒有那么高，在那瞬間就相對溫度較低，所以這些面就會被迫壓縮。這樣，一些面膨脹一些面收縮，就難免不會產生變形，而變形則會導致一定的位移，雖然產生的位移數值較小，但還是會有一定影響。下圖4.2則是本研究優(yōu)化前的位移情況： 圖4.2 活塞位移云圖 從熱力耦合所產生的位移云圖中可以看出，活塞的最大位移發(fā)生在活塞頂部與第一環(huán)岸的交界處（其值為0.3301）。它頭部的位移的總體趨勢是從活塞頂部中央位置向邊緣不斷均勢增大，與此同時活塞頂部非中心處會出現(xiàn)相對較大位移,原因是那個部分是活塞受頂部燃氣壓力和側推力的交界處，更易變形。從圖中還可以看出，活塞頭部的位移形狀呈一個個的橢圓形。另外，活塞裙部由于在研究時沒有對其施加載荷和約束，所以在本次研究結果中未能體現(xiàn)出它的位移變化情況（然而實際上此部分也會產生較大位移）。 4.2.2活塞的應力云圖 因為在確定載荷時，沒有考慮銷座的支力，所以，得到的應力云圖沒有顯示活塞銷處的應力分布?；钊诠ぷ鲿r，燃燒室內溫度很高，所以本身的溫度也特別高，這樣就會產生熱變形，又因為活塞的形狀受到一定的限制，這樣，在一些約束和變形的共同作用下，會產生熱應力。在活塞運動的時候，又受到像活塞銷的反作用和側推力等力的影響，機械應力由此產生。在熱負荷和機械負荷共同作用下，便得到了熱力耦合應力。即如下圖4.3和圖4.4所示。 圖4.3 活塞的應力云圖1 圖4.4 活塞的應力云圖2 從活塞在熱力耦合下產生的應力云圖中可以看出，應力的最大點出現(xiàn)在活塞頂部與內腔的交界處的中央位置（其值為191MPa）。頂部邊緣的應力相對于內圈部位應力較高，可能是因為這里是最接近高溫燃氣的地方而且換熱條件也不是很好。應力分布的形狀總體呈一個個圓向外擴散，但是，這里的分布還是有點分散，從圖中可以看出，活塞頂部周圈也會不定地點的出現(xiàn)較大應力區(qū)，且相對集中。說明結構不是很合理，需要進行優(yōu)化。 第5章 汽油機活塞的優(yōu)化 5.汽油機活塞的優(yōu)化 由于上面活塞在應力分析時發(fā)現(xiàn)，活塞的應力分布有稍微集中，這樣很可能就在某個地方出現(xiàn)危險區(qū)，所以，可在頂部挖出一個圓形凹坑，深8mm，直徑60mm，凹坑中心在活塞中心，如圖5.1所示。 圖5.1 優(yōu)化后的活塞結構 將改進后的模型導入hypermesh再進行耦合應力分析，得出下圖5.2和圖5.3 圖5.2 優(yōu)化后活塞的位移云圖 圖5.3 優(yōu)化后活塞的應力云圖 比較圖4.2和圖5.2，圖4.3和圖5.3可以看出，雖然，位移云圖部分沒有什么較大變化，只是將最大值從0.3301下降到0.2972，但是優(yōu)化后活塞的應力發(fā)生了較大變化，原來頂部中央的最大應力處消失了，轉而到了頂部周圈位置（其值是137MPa）。應力分布也不集中了，說明優(yōu)化后的結構是較為合理的。 第6章 結論 6. 結論 活塞在不同的部位不同的工況下，會有不同的熱邊界條件，這些都是要通過實驗或者計算來測得的。把活塞模型導入有限元分析軟件后，可得到各種云圖，本文主要研究了活塞優(yōu)化前后的位移云圖和應力云圖。結果表明，活塞的第一環(huán)槽處的位移是最大的，所以以后在設計過程中需要漸漸改變結構等來實現(xiàn)位移的均勻化。通過觀察應力云圖可以知道，活塞頭部應力最大的地方出現(xiàn)在凹坑中心處或者凹坑邊緣處，這樣就促使未來活塞頭部的結構更加圓潤化，可以讓應力分布不那么集中，不容易達到材料的許用應力。 在本次的研究過程中，有些地方按照理論來說是需要進行試驗或軟件計算得到數據，但因為硬件設備有限、我的理論知識也有不足。所以，就采用了閱讀參考文獻的方法來確定一些數值，這就導致了某些地方的不準確不嚴謹，使得這次的畢業(yè)設計有些許遺憾。希望在以后的工作中能不斷豐富自己。 參考文獻 參考文獻 [1] 百度文庫.有限元 邊界元.[DB/OL].http://wenku.baidu.com/view/ 4861e30df78a6529647d53a5.html. 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