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有限元分析方法有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种数值分析方法，用于解决物理问题的近似解。
它基于将有限元区域（即解释对象）分解成许多简单的几何形状（有限元）并对其进行数值计算的原理。
本文将深入探讨有限元分析的原理、应用和优点。
有限元分析的原理基于弹性力学理论和数值计算方法。
它通过将解释对象分解为有限个简单的几何区域（有限元）和节点，通过节点之间的连接来建立模型。
这些节点周围的解释对象区域称为“单元”，并且通过使用单元的形状函数近似解释对象的形状。
每个单元都有一个与之相连的节点，通过对每个单元的受力进行计算，可以得到整个解释对象的受力分布。
然后，利用一系列运算和迭代，可以计算出解释对象的位移、应力和变形等相关参数。
有限元分析的应用范围广泛，从结构力学、热传导、电磁场分析到流体力学等各个领域。
在结构力学中，它被用于分析各种结构的静力学、动力学和疲劳等性能。
在热传导领域，它可以用于研究物体内部的温度分布和传热性能。
在电磁场分析中，它可用于计算复杂电磁场下的电场、磁场和电磁场耦合问题。
在流体力学中，有限元方法可以解决各种流体流动、热传递和质量转移问题。
有限元分析的优点之一是可以处理各种复杂边界条件和非线性材料特性。
它可以考虑到不同材料的非线性本质，例如弹塑性和接触等问题。
另外，有限元方法还可以适应任意形状和尺寸的几何模型，因此非常适用于复杂工程问题的建模与分析。
有限元分析的使用需要一定的专业知识和经验。
首先，需要将解释对象抽象成几何模型，并进行细分和离散化。
其次，需要选择适当的几何元素和材料模型，以及合适的边界条件和加载方式。
然后，需要定义求解器和数值方法，并使用计算机程序对模型进行计算。
最后，需要对结果进行后处理和验证，以确保其准确性和可靠性。
总的来说，有限元分析是一种强大的工程分析工具，在解决各种物理问题方面有广泛的应用。
它通过将复杂的问题简化为简单的有限元模型，通过数值计算的方法获得近似解。
有限元分析的基本原理有限元分析是一种工程数值分析方法，它通过将连续的物理问题离散化为有限个简单的单元，再通过数学方法求解每个单元的行为，最终得到整个结构的行为。
有限元分析的基本原理包括离散化、建立有限元模型、求解和后处理等几个方面。
首先，离散化是有限元分析的基础，它将连续的结构或物理问题划分为有限个单元。
这些单元可以是一维的杆件单元、二维的三角形或四边形单元，也可以是三维的四面体或六面体单元。
通过将结构离散化为这些单元，可以更加方便地进行数学建模和求解。
其次，建立有限元模型是有限元分析的关键步骤。
在建立有限元模型时，需要确定每个单元的材料性质、几何形状、边界条件等信息，并将这些信息输入到有限元分析软件中进行建模。
有限元模型的建立需要考虑到结构的实际工作状态，以确保分析结果的准确性。
然后，求解是有限元分析的核心步骤。
在建立好有限元模型后，需要对模型进行求解，得到结构在不同工况下的应力、位移、变形等信息。
求解的过程需要借助于数值方法，如有限元法、有限差分法等，通过计算机进行大量的数值计算，以获得结构的响应。
最后，后处理是有限元分析的最后一步。
在获得了结构的应力、位移等结果后，需要对这些结果进行后处理，如绘制应力云图、位移曲线等，以便工程师对结构的性能有更直观的了解。
后处理结果也可以作为设计和优化的依据，帮助工程师改进结构设计。
综上所述，有限元分析的基本原理包括离散化、建立有限元模型、求解和后处理。
通过这些步骤，工程师可以对结构进行全面的分析和评估，为工程设计和优化提供有力的支持。
有限元分析方法已经成为工程领域中不可或缺的工具，为工程师们提供了更多的可能性和便利性。
材料力学中的有限元方法分析材料力学是研究物质初始状态至最终破坏状态之间的力学行为及其规律的科学。
有限元分析是一种数值计算方法，可以求解各种工程问题的数学模型。
有限元方法在材料力学研究中有着重要的应用，本文将从有限元方法的基本原理、材料力学中的有限元分析、有限元模拟在材料力学中的应用等方面进行分析。
一、有限元方法的基本原理有限元方法是一种通过建立复杂结构的有限元模型，将一个复杂的连续问题转化为离散问题来求解的方法。
其基本思想是将一个连续物体分割成很多小的单元，使用一些简单的解析方法求解每个小单元内的力学问题，然后将所有小单元的解组合在一起来求解整体力学问题。
有限元方法求解的过程分为以下基本步骤：1.建立有限元模型2.离散化3.施加约束4.建立刚度矩阵和荷载向量5.求解未知量二、材料力学中的有限元分析材料力学中的有限元分析是指通过有限元方法对材料力学问题进行分析、计算和评估的方法。
材料力学问题中的目标是通过施加荷载或外界力，来得到物体内部的应力和应变状态，以及其随时间和载荷变化的规律。
在建立材料力学有限元模型时，需要考虑以下因素：1.应力集中和应变集中的位置和程度2.物理边界和几何结构3.材料的力学性质和力学参数材料力学中的有限元分析包含以下几个方面：1.静态分析：研究物体在静态等效荷载下的应力状态，计算物体的静态变形。
2.动态分析：研究物体在动态载荷下的应力和应变状态，计算物体的动力响应。
3.疲劳分析：研究物体在周期性载荷下的损伤状态、损伤机理和寿命预估。
4.热力耦合分析：研究物体在温度场和应力场的共同作用下的应力和应变状态。
5.多物理场分析：研究物体在电、磁、声、液、气、红外、光、辐射等多个物理场的共同作用下的应力和应变状态。
三、有限元模拟在材料力学中的应用有限元模拟在材料力学中的应用范围非常广泛，包括了以下几个方面：1.材料的结构设计和分析2.材料的性质和参数的测试和评估3.材料的制造和加工工艺的模拟4.材料的破坏和损伤机理的研究5.材料的寿命评估和振动疲劳分析最终，有限元分析的结果可以在材料设计、材料优化和制造流程等方面提供准确的数据支持，帮助人们更好地理解材料的力学行为和性质，促进材料科学的发展。
有限元分析及应用介绍有限元分析，简称FEA（Finite Element Analysis），是一种数值计算方法，用于预测结构的力学行为。
它可以将结构离散为有限个小单元，在每个小单元内进行力学计算，并通过求解得到整个结构的应力和位移分布。
有限元分析常用于工程领域中，如结构分析、热传导分析、流体流动分析等。
原理有限元分析的基本原理可以概括为以下几个步骤：1.离散化：将结构或物体离散为有限个小单元。
常见的小单元形状有三角形、四边形等，在三维问题中可以使用四面体、六面体等。
2.建立数学模型：在每个小单元内，根据结构的物理特性和力学行为建立数学模型。
模型中包括了材料的弹性模量、泊松比等参数，以及加载条件、约束条件等。
3.组装和求解：将所有小单元的数学模型组装成一个整体的数学模型，然后利用求解算法进行求解。
常见的求解算法有直接法、迭代法等。
4.后处理：得到结构的应力和位移分布后，可以进行各种后处理操作，如绘制位移云图、应力云图等，以帮助工程师分析结构的强度和刚度性能。
应用有限元分析在工程领域有着广泛的应用。
下面介绍几个常见的应用案例：结构分析有限元分析可以用于结构分析，以评估结构的刚度和强度。
在设计建筑、桥梁、航空器等工程项目时，工程师可以使用有限元分析来模拟结构的力学行为，预测结构在不同加载条件下的变形和应力分布，以优化结构设计。
热传导分析有限元分析也可以用于热传导分析，在工程项目中评估热传导或热辐射过程。
例如，在电子设备的散热设计中，可以使用有限元分析来预测电子元件的温度分布，优化散热设计，确保电子元件的正常工作。
流体流动分析在流体力学研究中，有限元分析可以用于模拟流体的运动和流动行为。
例如，在船舶设计中，可以使用有限元分析来模拟船体受到波浪作用时的变形和应力分布，验证船体的可靠性和安全性。
优缺点有限元分析具有以下优点：•可以模拟复杂结构和物理现象，提供准确的结果。
•可以优化结构设计，减少设计成本和时间。
有限元分析方法有限元分析是一种工程数值分析方法，它通过将复杂的结构分割成许多小的有限元素，然后利用数学方法对这些元素进行计算，最终得出整个结构的应力、变形等物理量。
有限元分析方法在工程设计、材料研究、结构优化等领域有着广泛的应用。
有限元分析方法的基本思想是将一个连续的结构分割成有限个小的单元，每个单元都是一个简单的几何形状，比如三角形、四边形等。
然后在每个单元内部建立一个数学模型，利用数学方法对这些单元进行计算，最终将它们组合起来得到整个结构的应力、变形等物理量。
有限元分析方法的核心是建立数学模型。
在建立数学模型的过程中，需要考虑结构的材料性质、边界条件、加载情况等因素。
通过合理地选择单元类型、网格划分、数学模型等参数，可以得到准确的分析结果。
有限元分析方法的优点之一是可以处理复杂的结构。
由于有限元分析方法将结构分割成小的单元，因此可以处理各种复杂的结构，比如曲面、异形、空腔等。
这使得有限元分析方法在工程设计中有着广泛的应用。
另外，有限元分析方法还可以进行结构优化。
通过改变单元类型、网格划分、边界条件等参数，可以对结构进行优化，使得结构在满足强度、刚度等要求的前提下，尽可能地减小材料消耗，降低成本。
当然，有限元分析方法也有一些局限性。
比如，在处理非线性、大变形、大变位等问题时，需要考虑材料的非线性特性、接触、接触、摩擦等效应，这会增加分析的复杂度。
另外，有限元分析方法的结果也受到网格划分、单元类型等参数的影响，需要谨慎选择这些参数。
总的来说，有限元分析方法是一种强大的工程数值分析方法，它在工程设计、材料研究、结构优化等领域有着广泛的应用。
通过合理地建立数学模型、选择合适的参数，可以得到准确的分析结果，为工程设计和科学研究提供有力的支持。
有限元分析总结引言有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）是一种广泛应用于工程、物理学等领域的计算方法，用于模拟和分析复杂结构的行为。
通过将复杂结构离散为许多小的有限元件，然后利用数值方法求解这些元件的行为，从而得到整个结构的行为情况。
本文将对有限元分析的原理、应用和优缺点进行总结。
有限元分析原理有限元分析的核心思想是将连续结构离散化，并假设每个小元素的行为是线性的。
然后，通过构建结构的刚度矩阵和荷载向量的方程组，利用数值计算方法求解节点的位移和应力分布。
具体的步骤如下：1.确定要分析的结构的几何形状，将其划分为有限数目的小单元，例如三角形或四边形元素。
2.在每个小单元内，选取适当的插值函数来估计位移和应力分布。
3.根据连续性条件，建立整个结构的刚度矩阵。
刚度矩阵的元素代表了各节点的相互作用关系。
4.构建荷载向量，其中包括外界载荷和边界条件。
5.求解线性方程组，得到结构的节点位移和应力分布。
6.进一步分析节点位移和应力数据，得到结构的各种性能指标。
有限元分析应用有限元分析在工程领域有着广泛的应用，例如：•结构强度分析：通过有限元分析可以评估结构在受载情况下的应力和变形情况，以及可能的破坏模式。
•热传导分析：有限元分析可以模拟热传导过程，预测物体内部的温度分布，以及热传导对结构性能的影响。
•流体力学分析：有限元分析可以描述流体的流动行为，例如流体中的速度、压力分布等。
•多物理场耦合分析：如结构与热传导、流体力学等多个物理领域的耦合问题，可以利用有限元分析进行综合分析。
有限元分析优缺点有限元分析作为一种数值计算方法，具有一些明显的优点和缺点：优点：•可以模拟和分析复杂结构的行为，如非线性和非均匀材料，不规则几何形状等。
•可以提供详细的节点位移和应力分布数据，对结构性能进行深入分析。
•可以快速进行多次迭代计算，探索不同设计参数对结构性能的影响。
•可以进行实时动态仿真和优化，为工程设计提供重要的支持。
有限元分析实例引言有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）是一种工程分析方法，能够将连续体结构分割成有限个小单元，通过在每个小单元内建立方程模型，最终求解整个结构的力学行为。
本文将以一个实例来介绍有限元分析的基本过程和步骤。
实例背景我们将以一个简单的杆件弯曲问题为例来进行有限元分析。
假设有一根长度为L、截面积为A的杆件，材料的弹性模量为E，截面的转动惯性矩为I。
我们希望通过有限元分析来计算杆件在一定加载条件下的弯曲变形。
有限元网格的划分首先，我们需要将杆件划分成有限个小单元，即有限元网格。
常用的网格划分方法有三角形划分、四边形单元划分等。
根据具体问题的要求和复杂度，选择合适的划分方法。
单元的建立划分好网格后，我们需要在每个小单元内建立方程模型。
在弯曲问题中，常见的单元模型有梁单元、壳单元等。
在本实例中，我们选择梁单元作为杆件的单元模型。
对于梁单元，我们需要定义每个节点的位移和约束条件。
根据杆件的几何尺寸和材料属性，可以利用应变能量原理和几何相似原理，得到每个节点的位移和约束条件。
材料特性和加载条件的定义在进行有限元分析之前，我们需要定义材料的特性和加载条件。
对于本实例中的杆件，我们需要定义弹性模量E、截面积A和转动惯性矩I。
加载条件可以包括集中力、均布力、弯矩等。
在本实例中，假设杆件受到均布力，即沿杆件轴向的受力分布是均匀的。
单元方程的建立和求解在定义了材料特性和加载条件之后，我们可以根据每个梁单元的位移和约束条件，建立每个单元的方程模型。
常见的方程模型有刚度矩阵方法、位移法等。
根据所选的单元模型，选择合适的方程模型进行计算。
通过对每个单元的方程模型进行组装，我们可以得到整个结构的方程模型。
将加载条件带入，可以求解出整个结构在给定加载条件下的位移、应力等参数。
结果分析根据求解得到的位移信息，我们可以绘制出结构的变形图。
通过变形图，可以直观地观察到结构在弯曲条件下的变形情况。
有限元分析的原理及应用1. 引言有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）是一种工程数值模拟方法，通过将大型、复杂的物理问题离散成多个小的有限元单元，并对每个单元进行数值计算，最终得到整体系统的解。
本文将介绍有限元分析的原理及其在工程领域的应用。
2. 有限元分析的原理有限元分析的原理可以概括为以下几个步骤：2.1. 建立几何模型首先，根据实际问题的几何形状，以及需要分析的部分，建立一个几何模型。
这个模型可以是二维的或三维的，可以通过计算机辅助设计（CAD）软件绘制，也可以通过测量现场物体的尺寸来获得。
2.2. 网格划分在建立好几何模型后，需要将其离散化为有限多个小的有限元单元。
常见的有限元单元有三角形、四边形和六面体等。
划分过程决定了数值计算的精度，越精细的划分可以得到更精确的结果，但同时也会增加计算量。
2.3. 建立数学模型和边界条件有限元分析需要建立一个数学模型来描述物理问题。
这个数学模型可以是线性的，也可以是非线性的，取决于具体的问题。
在建立数学模型时，还需要考虑边界条件，即模型的边界上可能存在的约束或加载。
2.4. 求解数学模型有了数学模型和边界条件后，需要对其进行求解。
求解过程可以采用迭代方法或直接求解方法，具体取决于问题的复杂程度和计算要求。
在这一步中，需要进行数值计算，得到对应的物理量，例如应力、位移、温度等。
2.5. 后处理在得到数学模型的解后，需要进行后处理，将数值结果转化为可视化或可以使用的形式。
后处理可以包括绘制位移云图、应力云图等，以及针对特定问题进行统计分析。
3. 有限元分析的应用有限元分析在工程领域有广泛的应用。
以下列举了一些常见的应用领域：3.1. 结构力学有限元分析在结构力学中的应用非常广泛。
通过有限元分析，可以对结构的强度、刚度、变形等进行分析和优化。
常见的应用包括建筑结构、桥梁、飞机、汽车、船舶等领域。
3.2. 热传导有限元分析可以用于模拟物体内部的温度分布和热传导过程。
有限元分析原理
有限元分析原理是一种通过划分连续物体为有限个小单元来近似计算连续系统行为的数值分析方法。
该方法将连续系统离散化为离散单元，每个单元通过节点相互连接成为网格结构。
在每个单元内，通过数学模型和物理方程，求解节点处的未知变量值，最终得到整个系统的行为。
有限元分析基于以下原理进行计算：
1. 可分割性原理：连续物体可以被分割为有限个小单元，每个单元的形状和尺寸可以根据问题的要求和特点进行选取。
2. 小单元原理：每个单元内的物理行为可以用简单的数学模型来描述，如线性弹性模型、非线性模型等，这些模型可通过数学方程来表示。
3. 节点连接原理：通过连接网格节点，将各个小单元组合成系统，节点间的连接方式可以根据物体的几何形状和要求来决定。
4. 平衡原理：在每个节点处，根据物体受力平衡条件建立方程，通过求解这些方程可以得到节点处的未知变量值。
5. 组装原理：通过连接不同单元的节点，并将各个单元的方程组装在一起，形成整个系统的方程。
6. 边界条件原理：根据问题的边界条件，将边界节点上的已知变量固定或设定初值。
7. 求解原理：通过数值计算方法，如有限差分法、有限元法等，求解得到整个系统的未知变量分布。
通过以上原理，有限元分析可以对各种连续物体在不同载荷和边界条件下的行为进行定量分析，例如结构的变形、应力分布、热传导、电磁场分布等。
有限元分析广泛应用于工程领域，如结构力学、流体力学、电磁学等。
它不仅能提供准确的数值计算结果，还能为工程师提供辅助设计和优化的依据。
有限元分析的原理
有限元分析是一种利用数值计算方法对复杂结构进行力学分析的工程技术。
其基本原理是将结构离散为有限数量的简单元素（如三角形、四边形等），通过对这些元素的力学性质进行计算，再整合得到整个结构的行为。
有限元分析的具体步骤如下：
1. 离散化：将结构划分为一系列连续或间断的有限元素，并确定每个元素的节点。
常用的有限元素包括线元、面元和体元。
2. 建立元素方程：通过对各个元素应用力学原理，建立每个元素的力学方程。
根据结构的不同特性，可以考虑各向同性或各向异性。
3. 组装方程：将各个元素的力学方程组装成整个结构的方程系统。
通过将节点的位移和力进行连接，形成整个结构的整体方程。
4. 约束和加载：根据实际问题，对结构施加特定的边界条件和加载情况。
这些条件可以是强制性的约束（如固定支座）或施加的外部载荷。
5. 求解方程：通过数值计算方法求解组装的方程系统，得到各个节点的位移、应力和应变等。
常用的方法有直接法（如高斯消元法）和迭代法（如共轭梯度法）。
6. 后处理：根据求解结果，对结构的应力、变形等进行分析和评估。
可以绘制各个节点或元素的位移云图、应力云图等。
有限元分析的优势在于可以较好地描述非线性、动力学和多物理场等复杂问题，并可以在设计阶段提供有用的指导。
然而，有限元分析也有一些限制，如需要对结构进行合理的离散化、对结果进行验证以及计算资源的消耗等。
因此，在进行有限元分析时，需要合理选择计算模型和方法，并结合实际情况进行综合分析和判断。
第2章软件介绍2.1 建模软件SolidWorks 是生信国际有限公司推出的机械设计软件, 是全参数化特征造型软SolidWorks有全面的零件实体建模功能,变量化的草图轮廓绘制,驱动参数改变特征的大小和位置,丰富的数据转换接口使SolidWorks可以将几乎所有的机械CAD 软件集成到现在的设计环境中来,SolidWorks支持的数据标准有：IGES,DXFDWG, ASCII, Parasolid等多种文件格式, 从而实现与有限元分析、流体分析软件的数据交换；Solidworks 环境下提供的文件格式EPRT 或EASM 格式可以将Solidworks文件转变为可执行文件,从而实现与外界的数据共享。
该软件最大的特点是简单易学,Solidworks 软件从1997 年面世就受到广大工程技术人员的喜爱,它是参数化特征造型软件的新秀。
SolidWorks 软件包含零件建模、装配设计、工程图与钣金等模块，还与高级图像渲染软件PhotoWorks，高级有限元分析软件Simulation，机构运动学分析软件Motionworks，产品数据管理（PDM）软件SmarTeam，以及数控加工等软件无缝集成。
SolidWorks还首创了自上而下的全相关设计，并凭借高效运行的装配设计使之成为实作技术。
2.2 有限元分析法有限单元法是在当今科学技术发展和工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法，它是用计算机把复杂的零件形体自动分割成有限个形状简单的单元，然后逐个分析、计算这些小单元体的变形，并按一定的关系求得零件的总变形。
由于它的通用性和有效性，理论基础牢靠，物理概念清晰，解决问题效率高，能为工程师在设计阶段掌握产品性能、优化产品的结构，缩短设计试验周期，使设计制造的产品具有较强的竞争力等优点，因而受到工程技术界的高度重视。
伴随着计算机科学和技术的快速发展，现己成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。
2.2.1 有限元原理有限元分析法的基本原理是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它的核心思想是结构的离散化，即将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵:在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场试验研究度场等物理特性的计算，最后对计算结果进行分析，并以图像和数据的形式直观地显示出来。
从数学角度考虑，它是从变分原理出发通过分区描值把二次泛函能量积分的极值问题化为一组多元线性方程来解，人们知道直接从一个微分方程推导出它的泛函常常是很复杂的，有时甚至是不可能的，所以在求泛函时常借助于所研究问题的物理特性，诸如金属切削机床这类机械产品的刚性问题属于小变形弹性问题，因而弹性力学中最小位能原理提供了极大的方便。
2.2.2有限元法的解题思路与解题步骤有限元分析的基本思路是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，可以归纳为“化整为零，积零为整”八个字。
对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元分析方法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和具体的求解方式不同。
有限元法求解问题的基本步骤通常为：第一步:结构离散将连续的求解域离散为由有限个具有不同大小和形状且彼此相连的单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。
显然网络越细则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大。
第二步:单元划分对组成离散模型的通用单元进行分析，通过选择合理的单元坐标系，和以特定的基本未知数（如位移）建立单元函数，从而形成单元矩阵。
第三步:整体分析利用节点处的连续条件（如变形协调条件）和平衡条件（如静力平衡条件），建立基本未知数与外载荷之间的整体刚度方程组。
第四步:约束处理将已知的边界条件（约束）代入整体刚度方程组，用直接法、迭代法和随机法等方法进行求解，得到基本未知数的近似值。
第五步:后处理由基本未知数派生出其他量（如应力、应变等）。
简言之，有限元分析方法可分成三个阶段，前处理、有限元求解和后处理。
前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分，施加边界条件、负荷条件和时间变化情形等;求解是通过CAE软件的求解器进行求解计算;后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。
图2-1是运用有限元分析法解决有限元问题的流程图图2-1有限元分析问题流程图2.2.3有限元软件的类型与分析步骤有限元技术发展至今，国内外已开发出一批成熟的有限元分析软件。
这些软件前后处理方便、求解功能齐全。
常用的分析软件有：ADINA、ANSYS、COSMOS。
这些软件应用范围广泛，可处理连续体分析、流体分析、热传导分析、电磁场分析、以及线性与非线性分析、弹塑性分析等。
从使用过程讲，大型通用有限元软件分析概括为三大步：一、前处理：定类型，画模型，设属性，分网络。
二、求解：添约束，加载荷，查错误、求结果。
三、后处理：列结果，绘图形，显动画，下结论。
2.3活塞有限元分析2.3.1活塞有限元分析的意义发动机是一种将燃油化学能转变成为机械功的动力机械。
这种能量转换是燃油在气缸中与空气充分混合进行燃烧，产生高温高压的工作气体，推动活塞、连杆、曲轴，从而使燃油化学能转变成机械功向外输出的。
发动机经历了一百多年发展，虽然基本构造变化不大，但其性能和设计水平一直在不断提高，其燃油经济性、升功率、紧凑性、制造成本、可靠性和使用寿命等主要技术指标不断得到改善。
近年来，为适应环境保护的要求，在减少其有害排放物、减少振动与噪声等方面也在不断地进步。
伴随着发动机转速和功率的提高，必然会带来缸内燃气爆发压力和温度增高。
燃气爆发压力增加，一方面使得活塞、缸体和缸盖承受的机械负荷增大，导致活塞、缸体和缸盖因强度不足而产生破坏。
另一方面压力升高过大，还会产生敲缸现象和增加发动机燃烧噪声。
燃气温度升高，导致组成发动机燃烧室的受热零件热负荷增加，产生极大的热应力和热变形，温度过高还会导致受热零件材料强度和硬度急剧下降，降低其可靠性和使用寿命。
活塞是发动机工作条件最苛刻的零件之一，它在高速往复运动中传递着整个发动机原动力，承受着非常高的机械负荷和热负荷。
活塞是制约发动机进一步强化的瓶颈之一。
活塞设计好坏、加工精度的高低都会直接影响发动机经济性、可靠性、检修周期和使用寿命。
温度过高会降低材料许用应力和强度，从而缩短活塞使用寿命和降低发动机性能。
另外在热负荷和机械载荷作用下，活塞整体会发生变形，从而影响活塞与缸套之间的配合精度，尤其是活塞裙部与缸套的配缸间隙。
活塞裙部在气缸内起着导向、承受侧推力和传热等作用，在工作条件下，由于温度和外载荷影响，活塞裙部将发生变形，形状发生改变，导致裙部与缸套的间隙发生变化，间隙变化导致裙部与缸套油膜厚度发生改变，从而使活塞—缸套系统的润滑特性发生改变，影响活塞的承载能力；因此有必要对活塞受力和传热状况进行计算分析，研究活塞在热、力载荷作用下的变形情况和应力分布，为活塞—缸套间润滑特性分析及活塞设计提供依据。
对活塞进行热、力分析研究方法有多种，近年来，利用有限元技术对活塞进行热、力耦合研究越来越普遍。
在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元法（FEM，Finite Element Method）为解决发动机各零部件的分析计算问题提供了有效途径，它具有试验方法和理论解析方法无可比拟的优势，己经成为发动机性能研究的重要手段。
在发动机产品设计实践中，有限元分析软件与CAD 系统集成应用，缩短了发动机产品设计和分析周期，降低了发动机产品成本，提高了发动机产品可靠性。
同时在发动机新产品制造前，通过模拟各种试验方案，预先发现潜在问题，从而减少试验时间和经费。
如今有限元分析方法在活塞开发设计中已得到广泛应用，大大提高了活塞设计的可靠性，缩短了开发周期。
2.3.2 活塞有限元分析发展概况1.活塞有限元模型上述对称模型和非对称模型都只针对单个活塞而言，都没有考虑活塞与活塞环之间、活塞与润滑油膜之间以及润滑油膜与气缸套之间的相互影响，模型相互间的边界条件很难确定，给分析计算带来一定的误差。
近年来，随着计算机硬件的迅猛发展，有限元分析软件功能的不断完善，对活塞、活塞环、气缸套和活塞销进行耦合模型分析已逐步实现。
活塞组耦合网格模型分析研究在国外内燃机课题研究中尤为突出，国内也开始尝试对活塞组耦合模型的计算分析，但尚未广泛应用。
2.边界条件研究概况在有限元分析方法中，边界条件的确定是最重要也是最难的。
从数学角度来讲，问题的边界条件属于解的唯一性条件，对它模拟的合理与否直接影响到解的合理性。
目前对边界条件的确定方法大致可以分为解析法、试验法和试算法三种类型。
解析法具有方便、准确的优点，历来受到人们重视。
试验法对于难以用解析法确定边界条件的情况时，是一条行之有效的方法。
而且试验测定值通常比解析法所得到的结果更能反映实际工作状态。
除此之外，还可以结合数学回归等方法，根据试验值建立近似计算的经验公式，为边界条件的解析法奠定基础。
对于既难以解析确定，又难以试验测定的边界条件，可以先作假设再通过以某一量值为标准进行试算，使结果与该标准值吻合，从而确定出此边界条件。
活塞传热是一个复杂过程，边界条件很难精确确定，通常活塞热边界条件有三种确定方法：一种是第一类边界条件，即己知活塞边界上的温度；第二种是第二类边界条件，即己知活塞边界上的热流密度；另一种是第三类边界条件，即己知与活塞相接触的流体介质的温度和热交换系数。
由于测定活塞表面全部节点温度很不方便，因此在工程计算中较多地采用第三类边界条件，对于第三类边界条件的边界换热系数α和环境温度T0通常采用试算法确定。
先由经验公式估算活塞各边界与燃气、气缸套、冷却油腔内机油以及曲轴箱内油雾之间的放热系数和相应的介质温度，计算活塞温度场，然后将某些特征点上的温度计算值与预先通过实测的温度值进行校验。
这样通过多次修正，直至某些特征点上的计算温度值与实测值基本符合为止。
位移边界条件的选取也是有限元计算中的一个重要环节，其选取正确与否，将直接影响计算精度。
象活塞这样的自由体，结构本身无约束，仅有自相平衡的外力，求不出定解的节点位移。
为此，须对某些节点加以约束，以消除刚体位移。
所加约束应尽量避免引起附加载荷。
3.活塞应力与变形有限元分析研究概况上海复旦大学和上海内燃机研究所，早在七十年代就利用轴对称三角形单元对活塞进行有限元分析；八十年代初，上海交通大学和华中理工大学分别在传热边界条件方面和活塞的尺寸优化方面进行了深入研究。
但是上述工作仅仅是二维或轴对称阶段，它的任务较为单一，功能比较简单。
随着有限元方法的发展，王等人通过建立柴油发动机铝活塞三维有限元模型，研究在热力耦合作用下活塞温度分布、热变形和机械变形。
