第一章绪论1.1内燃机活塞组有限元研究的背景和意义内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，它主要利用燃料燃烧释放出的热能产生有用的机械能做功。
经历了百余年的发展，内燃机领域己经取得了长足的进步。
在现今的社会中，几乎所有的交通工具均以内燃机做其核心的动力源。
回溯整个20世纪，内燃机技术的成熟推动了整个人类社会向前进步，其广泛的应用也造就了这个世纪的繁荣。
随着各种新技术的研究成果应用到发动机设计过程中，以及愈来愈严格的排放法规的现在，发动机正想着高转速，高功率和低油耗的方向发展。
功率的提高必然带来一些负面的影响。
如加重了活塞的热负荷，使得活塞的温度超过活塞材料所能承受的味道，大大降低了活塞磁疗的强度，严重时可能活塞会出现龟裂甚至烧损。
缸内爆发压力增加是活塞和缸体，缸盖承受的接卸符合增大。
可能导致活塞和缸体缸盖因强度不足而产生破坏。
此外压力升高率过大时，会产生敲缸现象，增加发动机的燃烧噪声，当提高发动机的转速以增大发动机的功率时，各个运动部件的惯性力也随着增加，使得活塞销和活塞销座的受力问题更为突出。
缸体对活塞的支撑力也增大。
于是发动机的噪声问题成为整车噪声中的主要问题【21】。
尽管转速的自己可以减少发动机的传热损失，但却同时造成发动机的NOx排放增加，在排放法规要求日益严格的今天，这一问题的得与失显得要慎重考虑。
不仅如此，还会造成摩擦损失的增加。
在满足发动机高功率设计的同时，必须要考虑发动机的温度和强度方面的要求。
发动机是一切动力装置的新章，而作为发动机关键部件的活塞又是重中之重，活塞热负荷和热强度问题的解决常常是提高征集技术水平的关键，直接影响内燃机工作可靠性和耐久性。
为了减少发动机的整机重量和提高功率，中小型柴油机几乎都采用铝合金作为材料，为了减少活塞的传热和热负荷，人们正尝试使用陶瓷作为活塞的材料。
有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。
由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。
它不但可以解决工程中的结构分析问题，也成功地解决了传热学，流体力学，电磁学和声学等领域的问题。
有限元计算结果可以作为各类工业产品设计和想能分析的可靠依据。
使用有限元方法分析活塞模型，可以很直接的分析活塞零部件的就够强度问题。
热负荷问题，而研究分析的结果与试验箱就和将验证试验进行的有效性。
鉴于此，采用有限元技术，应用ANSYS软件，对某发动机活塞进行了温度场的数值模拟,进而了解了活塞的热负荷状态和热应力分布情况,为降低热负荷,改善热应力分布和改进设计,提高内燃机的性能与可靠性提供必要的理论依据,具有十分重要的意义。
1.2有限元分析研究的发展现状有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，市场了各种复杂工程问题的主要分析手段，也是进行科学研究的重要工具。
目前，国际上有90%的机械产品和装备都有采用有限元方法进行分析，进而进行设计修改和优化。
实际上有限元分析已成为替代大量食物试验的数值话“虚拟实验”，基于该方法的大量计算分析与典型的验证想试验箱结合可以做到高效率和低成本。
20世纪40年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻，强度高，刚度好，人们不得不尽享精确的设计和计算，正是在这一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法。
1941年，Hrenikoff使用“框架变形功方法”求解了一个弹性的问题，1943年，courant发表了一篇使用三角形区域的多项式函数求解扭转问题的论文，这些工作开创了有限元分析的先河。
1956年波音公司的Tumer，Clough,Martin和Topp在分析飞机就够是系统研究了离散杆，梁，三角形的单元刚到表达式，并求得盈利问题的正确解答。
1960年，Clough在处理屏幕弹性问题时，第一次提出并使用“有限元方法”的名称。
随后大量的工程师开始使用这一离散方法来处理结构分析，流体问题，热传导等复杂问题。
1970年以后，有限元方法开始应用于出来几个分析，流体问题，热传导等复杂我问题。
1970年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题，Oden于1972年出版了第一本关于处理非线性了连续体的专著。
在工程师研究和应用有限元方法的同时，一些数学家也在研究有限元方法的数学基础。
1943年Courant的研究了求救平衡问题的变分方法，1963年，Besseling，Melosh和Jones等人研究了有限元方法的思想原理。
我国的湖海昌于1954年推出里广义变分原理，钱伟长最先研究里拉格朗日乘子法和广义变分原理之间的冠以，冯康研究了有限元分析的精度和收敛性问题【14】。
由于有限元方法的研究在科学研究和工程分析中的作用和地位，关于有限元方法的研究已成为数值计算的主流。
目前，国际上著名的通用有限元分析软有ANSYS,ABAQUS,MSC/NASTRAN,MSC/MARC,ADINA,ALGOR,PRO/MECHANICA,IDEAS等。
1.3内燃机活塞有限元已经发展的趋势1.31内燃机与活塞的热负荷内燃机的热负荷包括两个方面的含义;其一是，内燃机的受热冷部件由于温度过高而失去工作能力。
如零部件由于高温而烧蚀，烧熔；零部件收热变形，破坏了正常的工作间隙；材料强度因高温急剧下降或硬度下降而加速磨损；高温引起润滑油结胶等。
但内燃机零部件的味道并非越多越好，作为内燃机燃烧冷部件，它必须维持一定的热状态或温度水平，以保证真诚的燃烧过程进行。
某些零件还比限定其最低的许可温度，以预防材质的冷腐蚀。
如活塞顶和第一环槽处的味道分别不能低于205℃和140℃，缸套下咽我的不能低于100℃等。
其二是，内燃机受热零部件的高周疲劳破坏和低周疲劳破坏。
它一直是偶工作循环的味道波动而产生的高周热应力，或内燃机频繁起动、停车和蝙蝠和运转而产生的低周热应力，在活塞顶部、气缸盖底部等处与有我的梯度所产生的热应力叠加，而导致热疲劳损坏。
1.32 内燃机活塞国内外研究现状活塞研究主要有传力、传热、导向、密封、减轻重量和耐磨六个方面，实际上会絮叨一定相互矛盾的问题。
有些问题如密封效果，磨损熟虑等着很难计算。
活塞的设计在很大程度上依赖于又有的大量专门的试验研究的成果和经验。
在活塞传热、温度场、应力场研究上，无论在理论分析方面还是在试验方法方面目前都已比较成熟【27】。
八十年代国外有关研究有：利用有限元法对策研究活塞进行了数值分析，他详细论述了有限元方法在柴油机活塞设计中的应用，给出了温度场、热变形、机械变形以及应力场，反映了一般柴油机活塞在这方面的变化趋势。
国内八十年代初对内燃机受热件的瞬态温度场进行了一位老外计算和有限元差分计算，对对一额吸纳工作和边界条件都十分复杂的活塞，一维数学模型就显得太粗糙，应用有很大的局限性。
九十年代，按照热疲劳和高温低周活塞寿命和安全性进行评定。
根据缸内温度和压力呈现三角波形变化的态度，采用ANSYS有限元程序对策研究性三维温度场的分析。
利用Galerkin法原理，建立了轴对称热冲击问题的有限元方程，对策研究活塞进行了数值分析，研究活塞的热冲击和热损伤机理【28】。
1.4 本文的主要研究内容的介绍活塞热负荷的解决常常是提高整机技术水平的关键，直接影响发动机工作可靠性和耐久性，而温度场的分析建立又是活塞热负荷的前提。
特别在现代发动机向高增压、高强度的方向发展的趋势下，对活塞这样的收入零件仅考虑机械负荷时远远不够的。
发动机实际运行中更多的表现为局部热负荷水平太高，超过材料的承受极限而引起热裂和烧熔等。
因此，内燃机缸内传热的计算机房设计辅助优化设计已成为一大研究课题。
热负荷水平常用零件工作的最高温度，局部不同方向的温度梯度及对应的热应力，热应变和零件局部承受的低频和高频热疲劳来评定。
本课题正是应有计算机技术，利用目前在国内十分流行的有限元分析软件ANSYS，在UG里面建立了某个发动机的活塞几何模型，基本目的是解决工程技术中受热件温度过高造成的零件破坏问题。
更进一步的目标是期望对未来的发动机早期设计在采用数值模拟方面做一些有益的探索，减少盲目的设计和实验成本。
本文的具体内容为：使用UG三维作图软件建立了活塞的实体模型，并将其导入ANSYS软件进行温度场的分析和处理，得到了内容丰富的结果数据。
依据发动机的实测示功图，按照公式，用积分方法得到了活塞顶部燃气对活塞的换热系数和环境温度。
分析活塞在缸内的受热情况，从理论上深入了解模型的简化方法，施加适当的边界条件和约束关系，计算活塞在温度等载荷条件下的温度分布。
第二章有限元热分析的理论基础2.1有限元法的简介2.11有限元法基本原理和基本流程在工程技术领域中有许多发展结构，包括复杂的几何形状、载荷作用和支承约束等。
当对这些复杂问题进行静、动态力学性能分析是，往往难以用解析方法写出其基本方程，也难以确定它们的边界条件，更求不出解析解。
对于这类工程实际问题，通常有两种分析和研究途径：一是对复杂问题进行简化，提出种种假设，最终简化为一个能够求解的问题。
这种方法由于太多的假设和简化，将导致求解不准确乃至得出错误的答案。
另一种方法是尽可能保留问题的各种实际工况，寻求近似的数值解。
在计算机技术和数值计算方法飞速发展的今天，后者已经成为较为现实而又非常有效的选择。
在众多的近似分析方法中，有限元法是最为成功和运用最为广泛的方法[32]。
有限元单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。
由于单元能按不同的联结方式组合，且单元本身有可以有不同的形状，因此可以模拟化几何形状复杂的求解域。
有限元法作为数值分析方法的另外一个重要特点就是利用在每个单元内加速的金属函数来分片的表示全求解域上的带球的未知场函数。
单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。
这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量（也即自由度），从而使一个连续的有限元自由度问题变成离散的有限元自由度问题。
一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元每场函数的近视值，从而的到整个求解域内的近似解。
显然随着单元数码得到增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着电影自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。
如果单元是满足收敛要求的，近似解最后收敛于精确解。
概括地说，利用有限元法处理活塞温度分析的基本思路就是将一个连续的整体进行离散化,分割成彼此用节点相连接的有限个单元,建立单元的泛函叠加而得到的整个结构的泛函关于温度的表达式,再由求泛函极值的方法,得到以结构节点温度为未知数的线性方程组,解之可以求得结构节点的温度值[29-31]。
完整的有限元法的基本流程图如下图所示：2.1.2有限元法的优缺点有限元法的优点是显而易见的，其主要是【34】：（1）概念浅显，易于掌握，既可以从直接的物理模型来理解，也可以按严格的数量逻辑来研究；（2）适应性强，应用范围广，不仅能成功地分析具有复杂边界条件、非线性、非均质材料、动力学等难题，而且还可以推广到解答数理方程中的其它边值问题，如热传导、电磁场、流体力学等问题；（3）由于前处理和后处理技术的发展，可以进行大量方案的比较分析，并迅速用图形表示计算结果，从而有利于对工程方案进行优化。
