活塞有限元分析

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。

发动机活塞销孔结构改进的有限元分析的开题报告题目：发动机活塞销孔结构改进的有限元分析一、选题背景和意义发动机是现代社会中不可或缺的动力系统之一，其关键部件之一即为活塞。

活塞由活塞体和活塞销组成，活塞销固定在活塞体上并连接连杆，传递燃烧能量，并转化为机械能。

然而，在发动机的运行过程中，活塞与活塞销之间的摩擦和磨损现象是不可避免的，而这些现象会使得活塞销松动、偏移，从而对发动机的性能和寿命造成影响。

因此，本文选取了活塞销固定在活塞体上的销孔结构作为研究对象，通过有限元分析方法，探究销孔结构改进对活塞销稳定性和寿命的影响，为提高发动机的性能和寿命提供理论依据和技术支持。

二、研究内容和方法本文的研究内容主要包括：对不同销孔结构的活塞进行有限元建模和分析，以及对不同结构的活塞销孔进行改进设计，比较不同结构的活塞销孔对活塞销的稳定性和寿命的影响。

而本文所采用的研究方法主要为有限元分析方法，具体步骤如下：1. 确定活塞销和活塞体的材料基本参数；2. 在有限元软件中建立二维或三维的活塞模型，包括活塞体和活塞销；3. 将不同结构的销孔进行建模，并进行网格划分；4. 加入载荷边界条件模拟活塞在发动机中的工作状态；5. 执行有限元分析，得出不同结构下活塞销的应力分布、应力集中情况等相关结果；6. 对不同结构的活塞销孔进行改进设计，并重复以上分析过程。

三、预期目标和意义通过对活塞销孔结构进行有限元分析和改进设计，本文旨在实现以下目标和意义：1. 提供关于活塞销孔结构优化的理论依据和技术支持，为提高发动机的性能和寿命提供新的思路和方法；2. 为发动机制造企业提供设计指导和技术支持，增强其竞争力；3. 推动国内制造业技术水平的不断提高。

基于有限元方法的S195柴油机活塞设计[摘要] 本文针对将S195型柴油机的涡流室燃烧室改为直喷式燃烧室,对活塞的结构进行了改进设计。

对改进后的发动机进行了热力计算和动力计算，将计算所求得的最高爆发压力和对应的加速度所产生的惯性力作为活塞最危险工作情况，利用有限元分析软件ANSYS对其进行机械应力分析，得出活塞应力云图和变形云图，根据分析结果，活塞的最大应力和最大位移并没有超出允许范围,本设计满足了改进后发动机的实际工况。

[关键词] 活塞；ANSYS；内燃机The Design of Piston in S195 Diesel Engine Based on Finite ElementMethodAbstract To satify the new condition of swirl chamber being changed into direct injection combustion chamber and improve the fuel economy , the structure of piston in S195 Diesel Engine was redesigned. The thermodynamic and power calculation were done .The combustion chanber and piston ring etc were changed to adjust to the direct injection diesel engine. The maximum outbreak pressure obtained by calculation and the inertial force generated by the corresponding piston acceleration were recognized as the most dangerous working conditions, using ANSYS finite element analysis software for mechanical stress analysis , the piston stress and deformation cloud were obtained . According to the result of the analysis,the maximum stress and maximum displacement of the piston does not exceed the permissible range, the design can meet the actual engine operating conditions.Key words Piston ; ANSYS ; Internal Combustion Engine.目录引言 (1)1.直喷式S195柴油机热力计算和动力计算 (1)1.1 热力计算 (2)1.1.1 原始参数及己知条件 (2)1.1.2 选定参数 (3)1.1.3 气缸工作过程计算 (3)1.1.4 示功图绘制 (6)1.2 动力计算 (8)2．活塞主要尺寸设计及强度计算 (11)2.1 活塞的工作条件、材料以及设计要求 (11)2.2 主要尺寸设计 (12)2.2.1 燃烧室尺寸 (12)2.2.2 顶岸高度 (13)2.2.3 活塞环 (14)2.2.4 活塞顶厚度 (15)2.2.5 裙部长度 (15)2.2.6 销座设计 (15)2.2.7 活塞强度计算 (16)3. 活塞有限元分析 (18)3．1 三维实体建模 (18)3．2 有限元网格划分 (19)3．3 机械负荷分析 (19)3.3.1 计算工况及载荷确定 (19)3.3.2 载荷施加过程 (20)3.3.3 有限元分析结果 (23)结束语 (26)致谢 (27)参考文献 (28)引言柴油机广泛应用于现代农业，是现代农业生产所必需的动力机械，涉及农、林、牧、副、渔各部门及其产前、产中、产后各作业环节。

图1 1/4活塞有限元模型■ 武汉大学/徐 辉柴油机活塞有限元分析有限元分析步骤分为三维模型制作，导入C AD 模型，设置材料属性，设置接触状态，设置边界条件，设 置求解类型、约束和载荷，指定输出结果，分析处理计 算结果。

本文通过柴油发动机性能摸底获取了发动机实际 运行中的缸内燃烧爆发压力18M P a ，假设活塞顶面最 高运行温度为375℃，发动机额定功率和转速为254k W / 1900r·mi n －1，最大转矩为1635N·m/1200r·mi n －1，用以上 数据作为FE A 分析的边界条件进行分析。

边界条件的处理边界条件处理是否合理直接影响计算结果是否精确。

对于高升功率和高燃油喷射压力的柴油机，进行燃 烧模拟估算进入缸套的热流量能够为有限元提供很好的 输入，但是通常供应商不具备这个能力，他们通常是参 照同等机型活塞开发的经验数据，对比机型的升功率、 燃烧爆压、燃烧室形状、换热系数，然后给一个相对合 适的输入。

当然，要想准确获得各个表面的换热系数十分困 难。

通常是在已有的经验公式基础上计算获得一个近似 值，然后通过多次计算，根据已有的试验数据再进行调 整。

也就是说，在进行过渡工况的温度场计算前，先要 进行几次稳定工况的温度场计算，以此验证边界条件是 否恰当。

实际上采用温度塞获取的温度场数据更真实，然后 再用温度场获得的数据修正有限元的分析并最终优化活 塞的设计是必要的。

模拟最坏的情况（最大功率、额定转速、最大爆压 18MPa 、最大测量温度）作如下条件假设：（1）只考虑温度。

（2）同时考虑温度和额定转速下产生的惯性力。

（ 3 ）考虑温度、惯性力和侧向力（曲轴转角 117°）。

（4）考虑温度、惯性力、爆压和侧向力（曲轴转 角250°）。

（5）考虑温度、惯性力、爆压和最大副推力侧侧 向力（曲轴转角344°）。

（6）考虑温度、惯性力、峰值爆压和侧向力（曲 轴转角367°）。

柴油机活塞有限元分析与结构改进作者：苏冠领张文强来源：《时代汽车》2023年第21期摘要：本文探讨了柴油机活塞结构的有限元分析及其改进方法。

通过建立活塞结构分析模型和设置边界条件，得到了活塞在不同工况下的应力分布情况。

在此基础上，分别探讨了加强筋设计、壁厚优化设计、拓扑优化设计和参数化设计等活塞结构改进方法，并分析了其优缺点，本文旨在为柴油机活塞结构的优化设计提供一定的参考依据。

关键词：柴油机活塞有限元分析结构改进加强筋壁厚优化1 引言柴油机作为一种重要的动力设备，其活塞作为核心部件，直接影响着发动机的性能和寿命。

因此，如何优化活塞结构以提高其性能和可靠性，一直是柴油机研发和制造领域的重要课题之一。

在过去的几十年中，随着计算机技术和有限元分析方法的不断发展，活塞结构的有限元分析和改进方法也得到了广泛的研究和应用。

本文将对柴油机活塞结构进行有限元分析，并针对不同的问题提出相应的改进方法，以期为活塞结构的优化设计提供一定的参考依据。

2 活塞结构分析方法2.1 有限元分析原理及方法有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是一种常用于工程领域中的数值计算方法，主要用于求解连续介质力学问题。

它通过将连续介质划分为有限数量的小单元，采用变分原理及相关数值方法，求解出每个小单元的物理量，进而得到整个连续介质的解。

有限元分析的方法一般包括以下几个步骤：（1）建立模型：建立模型是有限元分析的第一步。

将实际问题转化为数学模型，定义模型的几何形状、材料特性、边界条件等。

（2）离散化：离散化是将模型分割成许多小单元，每个小单元可以用简单的几何形状来表示，例如三角形、四边形等。

离散化的数量越多，计算结果越精确。

（3）设定节点自由度：在每个小单元中，选定一些节点作为计算的基准点，并规定每个节点上的自由度。

自由度通常包括位移、转角等。

（4）构建刚度矩阵：对于每个小单元，根据其几何形状、材料特性、边界条件等，可以求出其刚度矩阵，刚度矩阵反映了该小单元的刚度特性。

1998年第19卷第2期华　北　工　学　院　学　报V o l .19　N o .2　1998(总第62期)JOURNAL OF NORTH CH INA INSTITUTE OF TECHNOLOG Y (Sum N o .62)活塞有限元分析Ξ周先辉 马　峻 李伯民　(华北工学院,太原030051)摘　要　运用现代设计分析方法,建立了一种活塞实体有限元模型.分析计算了一种新设计的直径100mm 柴油机活塞的温度场以及综合变形与应力.计算结果表明:活塞综合变形不呈轴对称分布,裙部过大的径向变形是造成活塞拉缸的主要原因;综合应力峰值出现在销座内侧及冷却油腔处,是造成活塞常见破坏形式(销座及冷却油腔开裂)的主要原因.关键词　活塞;有限元;内燃机中图分类号　T K 402 活塞是内燃机的重要零部件之一,它所处的工况条件很恶劣,其机械负荷与热负荷是影响活塞结构、关系发动机性能的主要因素.热应力与机械应力迭加可导致活塞破坏,而热变形与机械变形迭加可导致拉缸等现象,热负荷往往成为柴油机进一步强化的障碍.因此,活塞机械应力与热应力及其相应变形的计算是活塞设计与制造的基础.本文利用工作站I 2D EA S 软件对新设计的一种直径为100mm 的铝合金活塞(LD 11)作三维应力和变形的有限元分析.1　有限元模型111　有限元网络图1　活塞实体有限元网络模型 对活塞的应力与变形作三维分析,在保证分析精度的前提下,为简化计算,看作其为对称性,取1 4活塞作为计算模型.把由特征模型建立的1 4活塞实体模型引入到有限元模型中,用网络自动生成技术产生有限元网络.对新设计的一直径100mm ,高120mm 的1 4活塞实体模型自动生成网络,其单元长度为6mm ,单元类型为线性四面体实体单元,曲线上单元偏移度为20%时,共产生9420个单元,2334个节点,经检测单元畸变小于0.01,网络模型图如图1所示.112　静力计算边界条件进行静力计算时,根据有限元理论,垂直于活塞1 4模型的两剖面上的全部节点位移均约束为0.另外,约束活塞销孔与活塞销接触部分的节点轴向位移,即销孔上素线上的节点沿活塞轴向位移约束值按活塞销变形位移值确定,从而模拟活塞销对活塞的约束[2].如此,活塞可向其两头和径向自由变形.113　传热边界条件在每次燃烧过程中,大约有燃料总发热量的2%～4%[1]的热量传到活塞上,传入活塞中的热量大部分是通过活塞环、活塞本体、活塞内腔表面内的空气润滑油雾以及冷却油腔中的机油带走的.本文论述的是具有冷却油腔的活塞与外界热量交换处于动态平衡时的状态,并计算活塞的三维稳态温度场.计算中取第三类传热边界条件[3]-Κ(5T 5n ) #=Α(T -T f ) #.换热系数Α和介质温度T f 根据经验公式、特征点温度实测值及计算结果估计.活塞顶面燃气的平均温度Ξ为(800～1000)℃,换热系数沿径向的变化范围为(250～600)W(m 2・℃);外侧汽缸套的温度沿轴向的变化范围为(250～100)℃,换热系数取(300～1000)W(m 2・℃);冷却油腔的温度为(80～120)℃,换热系数(1500～3000)W (m 2・℃);活塞内腔与油雾的换热系数Α自下而上取(100～210)W(m 2・℃),介质温度为曲轴箱内机油温度60℃;活塞销孔与活塞销之间等效换热系数为150W (m 2・℃),活塞销温度为70℃.114　载荷条件活塞的机械负荷有燃气压力、往复惯性力、侧压力三种.由于活塞往复惯性力方向与燃气压力方向相反,往复惯性力削弱了燃气压力的作用,因此为保证新设计的活塞具有足够的安全系数,计算时不考虑活塞的往复惯性力.活塞所受的侧压力根据实际情况对结构破坏并不起明显作用,可以忽略.分析发动机示功图可知,对柴油机而言,最高燃烧压力p z 一般在(14～17)M Pa 范围内.由于活塞头部与汽缸间的间隙节流作用,在第一环岸周围的气体压力为0.9p z ,第二环岸周围的气体压力为0.2p z ,其它环岸周围的气体压力忽略不计.计算中取p z =14M Pa ,并垂直加于活塞顶面实体单元自由面上.垂直第一环岸上表面实体单元自由面压力取12.6M Pa ,垂直第二环岸上表面实体单元自由面压力取2.8M Pa ,垂直火力岸表面实体单元自由面的压力取13M Pa .活塞的热负荷根据温度场的计算结果自动转换为节点温度和温度梯度,加在所有单元的节点上.2　温度场计算结果活塞温度场如图2所示.由图2可见,活塞温度分布基本上呈轴对称,活塞销对活塞温度分布的影响很小.燃烧室中心与边缘温度分布最高(310℃左右),冷却油腔明显降低了活塞温度,改善了第一环槽处的温度分布状况,活塞裙部温度分布较低,裙底温度基本相同(最低温度148112℃).3　应力与变形计算结果311　机械应力与机械变形图2　活塞温度场图3　活塞的机械应力 活塞承受燃气压力后其变形是不均匀的.在活塞销侧断面上,由于销座刚性较大,加上轴向约束作用,活塞裙部的变形较小;在推力侧断面上,裙部较薄,又无轴向约束,因而裙部变形较大.活塞顶面上靠推力侧断面一侧的轴向位移大于靠活塞销侧断面一侧的轴向位移,活塞两侧轴向位移相差38.7Λm ,使活塞顶面呈弯曲变形,靠顶面下榻一侧的活塞环槽壁向内挤压,而靠顶面拱起一侧的活塞环槽壁向外翘曲.活塞裙底,在推力侧断面上向内挤压,向内位移为35Λm ;在活塞销侧断面上向外翘曲,向外位移为36.4Λm .在活塞各部位产生的主应力如图3所示(最大主应力为86117M Pa ).由图3可知,在销座内侧上端处产生了很大的拉伸应力,这是从销座产生裂纹的主要原因.活塞顶面中央产生压缩应力,而在活塞顶中央内侧产生拉伸应力.冷却油腔左右两侧出现压应力,上下两端为拉应力且下端应力值高于上端.312　热应力与热变形活塞头部的热变形基本呈轴对称分布,活塞顶部及火力岸区比活塞环槽部分发生更大的轴向变形,271华　北　工　学　院　学　报1998年第2期轴向变形导致活塞顶向外弯曲.各横截面外圆周线上节点的径向变形逐渐减小,热变形后头部变成倒圆锥形面.在活塞裙部,各个横截面外圆周线上节点的径向变形不一致,推力侧断面一侧的径向变形小于图4　活塞的热应力活塞销侧断面的径向变形量,因此活塞裙部横截面热变形后呈椭圆状,长轴为销孔轴线方向.活塞纵剖面中外型面素线上的节点径向变形量由上至下逐渐减小.因此,裙部为正圆柱型面活塞,热变形后成为横截面为椭圆的近似倒锥形.由热应力分布(图4)可看出(最大主应力74.08M Pa ),由于冷却油腔的强制冷却作用及冷却油腔的结构、形状、尺寸等因素,该处热应力明显集中,冷却油腔下端热应力明显高于上端,最大热应力点位于油腔下端圆弧上靠外侧处,这是造成冷却油腔向外开裂的主要原因.活塞头部的热应力基本呈轴对称分布,无过度圆角处热应力明显增高,裙体的热应力很小.313　综合应力与变形将机械应力、机械变形分别与热应力、热变形迭加,得到活塞的综合应力与变形值.迭加后活塞的变形不呈轴对称分布,活塞顶面上靠推力侧断面一侧的轴向位移小于靠活塞销侧断面一侧的轴向位移,两侧轴向位移差45Λm ,使顶面呈弯曲变形.在活塞销侧断面上外型面素线上的节点径向变形由顶部至裙底逐渐减小,在推力侧断面一侧,活塞外型面素线径向变形为负值(向内变形),横断面变形后呈椭圆状且椭圆度值由顶部至裙底逐渐减小,长轴方向为销孔轴线方向,最大径向变形量0.865mm ,最小径向变形量0.352mm .由I 2D EA S 后处理应力图知,活塞综合应力峰值位于冷却油腔下端及销座内侧处,冷却油腔下端应力峰值为92.8M Pa ,销座内侧上端应力峰值为120M Pa ,这是造成活塞常见破坏形式的主要原因.4　结　论活塞在机械负荷与热负荷作用下其变形是不均匀的,由裙底至头部径向变形逐渐加大,横截面变形后呈椭圆状且椭圆度值由顶部至裙底逐渐减小,长轴方向为销孔轴线方向,这是造成活塞拉缸的主要原因,这种变形规律推动着活塞型面朝中凸变椭圆方向发展.销座内侧以及冷却油腔处应力峰值是造成活塞常见破坏形式的主要原因,销座内侧开裂主要由机械负荷引起,冷却油腔开裂主要由热负荷引起.活塞顶面设计应尽量避免尖角,否则该处热应力将明显增大.参考文献1　西安交通大学内燃机教研室.柴油机设计(上册).西安:西安交通大学出版社,1995.45～822　林宝阳.组合式活塞的一种实体有限元模型与分析.内燃机工程,1997,(18):65～693　邱士均.分体式活塞结构热传导特性分析.北方交通大学学报,1996,(8):449～453F I N IT E EL EM EN T ANAL YS IS O F A P ISTONZ hou X ianhu i M a J un L i B o m in(N o rth Ch ina In stitu te of T echno logy ,T aiyuan 030051)Abstract A pp lying m odern design and analysis m ethod ,a so lid fin ite elem en t m odel of p is 2ton is p resen ted in th is p ap er .U sing th is m odel ,the tem p eratu re field ,resu ltan t stresses and defo rm ati on of the p iston designed fo r a new diesel engine have been p redicted .T he re 2su lts show that the resu ltan t defo rm ati on is no t ax ially symm etrical ,too m uch diam etrical defo rm ati on on p iston con tou r p art is the cau se of p u lling cylinder ,the p eak value of resu l 2tan t stress in side the p in base and on the coo ling o il ho le is the reason of p iston comm on de 2stroying (the b reak ing of p in base and coo ling o il ho le ).371(总第62期)活塞有限元分析(周先辉等)。

基于有限元的制动器活塞优化设计有限元分析是一种计算力学方法，广泛应用于工程设计中，进行各种结构、材料和加载情况下的模拟、分析和优化。

在车辆制动器设计中，有限元方法可以模拟制动器的各种工作情况，包括制动力、温度和应力等。

本文将基于有限元分析，探讨制动器活塞的优化设计。

制动器活塞是制动器的重要组成部分，其作用是将制动器片压在制动盘或制动鼓上，发挥制动效果。

在制动器的工作过程中，活塞受到制动力、摩擦力和热膨胀等多重因素的影响，可能会出现变形、裂纹和疲劳等问题。

因此，通过有限元分析对活塞进行优化设计，可以提高制动器的性能和可靠性。

首先，进行活塞的材料选择。

制动器活塞需要具有较高的强度和刚度，以承受制动力、摩擦力和热膨胀等多方面的载荷。

一些常见的活塞材料包括铝合金、钢和铸铁等。

在进行有限元分析时，需要将活塞的材料特性输入到有限元分析软件中，以得出活塞在不同工况下的应力和变形情况。

其次，进行活塞的设计。

在活塞的设计中，需要考虑活塞的几何形状和尺寸。

活塞的几何形状和尺寸会影响到活塞的刚度和强度。

因此，在进行有限元分析时，需要对不同设计方案进行模拟计算，以得出最佳的活塞设计方案。

此外，还需要考虑活塞的表面处理方式，如镀铬、喷涂或阳极氧化等，以提高活塞的表面硬度和抗腐蚀性能。

最后，进行活塞的优化。

在进行有限元分析后，可以得出活塞在不同工况下的应力和变形情况。

如果发现存在应力集中或变形过大的问题，需要对活塞进行优化设计。

针对应力集中问题，可以对活塞的几何形状进行调整；针对变形过大问题，可以对活塞的截面积或材料进行修改。

通过不断进行有限元分析和优化，可以得出最优化的活塞设计方案，以满足制动器的性能和可靠性需求。

综上所述，有限元分析是制动器活塞优化设计中非常重要的工具，可以帮助设计人员预测活塞在不同工况下的应力和变形情况，提供有效的设计方案，提高制动器的性能和可靠性。

为了更好地进行数据分析，我们需要先确定要分析的数据类型和相关特征。