基于Proe的活塞有限元分析實例

1、基于Proe的活塞有限元分析實例目錄一、力邊界下活塞的有限元分析21. 指定材料：點擊材料分配工具，在彈出的對話框中點更多22.約束確定43.載荷施加54.新建靜力分析85.結果查看及分析9二、熱分析121.概述122.添加熱邊界條件143.新建熱分析164.結果查看及分析17三、熱力耦合201.熱載荷施加202. 靜態(tài)分析213. 結果查看23四、敏感度分析251.增加設計參數(shù)252.定義敏感度分析273.結果分析284.溫度敏感度分析30五、優(yōu)化分析311.新建優(yōu)化設計31六、壓力分析結果34七、熱分析結果36八、敏感度分析結果38九、優(yōu)化設計結果39一、力邊界下活塞的有限元分析建好模型后

2、，進入分析模塊1. 指定材料：點擊材料分配工具，在彈出的對話框中點更多協(xié)楣定D貯廠屬性材料ZLLOS”更第材料方直馬TI更爭|彈出對話框中選擇新建材料Fent1pflEK中的韌訊=十a(chǎn)s!5ZLL09U農(nóng)iXr4CCrat!QPIL2.trtlrahentlrnrLni-:L廳的亍巴B忙ICLQb咖mlEbn瀚L£ndRpLjxdinirE-Cf.ail1缶卩哪.mllt-TaE£.srdClw.ItL號口mlLrFBT.3CLQ42Qi.SlL23工QiS.wtL商匸Itlrr：hina.ot1rg.upu.art1a阿上掘召JJXLLILLQfcFDFE.HQ血:hl厭

3、IPU：山EL1Ob?ong.E小mi魁柑刊口杲IRJD如.ErdIPFT.HEII1：Of>2Td-r>3.ITt1lfE.HEIIhHk占肝工JLeiK-L.jitlQP&AUi.ntlJyzu.sLl|3!t«cl.*!LM鳩&】IPIMvfLrbDOITilrtlLtlllLT.TtlQiCLLOO.illRfeill敗価,mlOhlLpugICLQL9L.acL1占FVC./rL1込30mLITJHE5Tti：BlL血hLiLQ4T44D-LS.EnlIdbTl加附DtlLAsra-irtiLbff©»vtiEE.bTlGhs

4、wc.mliETA.SillliSFCC.QTl區(qū)卿丄譏IEFIE.sfclrrlaix.ErbJar.e-2.mlailS301i:LETBllLte11LGETFEit：P迴孔JB7L】tlT附fi-Cl號匕F久lLrSL'243M：LHEMf：-L£.DlJh衛(wèi)井英ft對話框中輸入如下ZL109材料的參數(shù)，并切換到熱標簽，輸入?yún)?shù)名稱材料走義X確定后返回到材料出選擇ZL109，點擊確定將材料分配給活塞，因為文檔中只有一個零件，所以自動分配好。2. 約束確定選擇位移約束工具，曲面選擇銷座圓孔面，將其三個平移自由度和三個旋轉自由度設置為固定約束廠茗稱iLcnstraint3

5、.il|%廠集的成員Consiraint5etl”新建，r舉照廠坐標垂全局選?。盒膹S平務瓦*務卜七Y務卜七王彳扭勺N/A廠旋轉Xe農(nóng)Ye4Ze農(nóng)N/A蹣莖|取肖|3. 載荷施加柴油機活塞的頂部與環(huán)岸燃氣爆發(fā)壓力一般簡化為均勻分布在其表面,所示，而且一般情況下施加于活塞的第一環(huán)槽底部的壓力為氣體壓力的76%，而施加到第一環(huán)岸和第二道環(huán)槽上面及下面的壓力為氣體殘壓的25%，到第二道環(huán)槽底時只剩下20%的氣體殘壓施加到其上，由于燃氣不斷膨脹，壓力越來越小，能到達第二環(huán)槽以下的殘余燃氣壓力變得特別的小，基本可以忽略不計。選取最大爆發(fā)壓力工況作為計算工況，所受載荷有最大爆發(fā)壓力、活塞往復慣性力和活塞銷座

6、分布力的作用。按照前述計算，并選擇面施加氣壓缸內(nèi)氣壓/MPa氣體壓力Fg/N往復慣性力Fj/N11.97206280611.300987036.017748選擇壓力載荷工具，打開的對話框中選擇頂面，燃燒室各面及火力岸，壓力載荷為前述計算的最大氣壓僕矗純9®)FI繼續(xù)添加載荷左面歸面右面熱，.廠壓力壓力載荷取消面面ffioffio曲曲曲曲廠名稱一Load4廠集的成員LoadSet1血載荷廠裁照曲面：題單一I邊界目的二口1*1新建.曲面集.-壓力高級>>11.972*0.25IFa晞定取消劭載荷慣性力的施加以加速度的形式加載，按照慣性力計算Fj=-maa=-Fj/m=2139

7、7mm/sec"24.新建靜力分析選擇分析和設計研究工具，新建靜態(tài)分析輸入如下設置，并確定收敦L報的靜態(tài)分析定義-住背元件EfL'OSAI匚非淺性r慣性軽故|萌定|五消的東I與合旳束臬in疑議度刨第孫布-肓牡距進道Mie-.名稱ConstraintSetl名稱LoadSet1元杵HV05AI同祁屈格細化高報擔制名稱stru|在stru選中下，點擊運行，幾分鐘后計算結束分析和設計研究*«(F)筲溟E)運行町ysS(D護令x7T|ad'=.甘-分弄和迓計WF充亡局繪零蠱何雀希態(tài)L充弦DPtE&ntstrthermsru5.結果查看及分析在stru選中下，

8、點擊結果查看宿X凰立樣側彌©運行(咼sS(Q分析和設計研究昭析和設計硏兜董衛(wèi)優(yōu)化全局按蘆度標連持態(tài)慣蔬未自劭三吉劫匚守弍己.左或ptsentEtr_tb.Er.rnstm彈出的對話框中選擇應力，確定并顯示1.981+021.日00匕十回口1.600e+021 .100&-I-021.20&十（22L.000&-I-028000e十016000e十閔14.000E-+012 000&+Q13.8l3e-02圖1力邊界條件下活塞應力云圖（單位MPa）由圖可以看出,活塞受到氣體的爆發(fā)壓力和往復慣性力的作用,它們的共同特點就是都沿著活塞的軸線方向作用,所以活塞

9、的軸線方向承受著極大的載荷。由于活塞在上止點附近向下運動時活塞銷會出現(xiàn)彎曲變形,使活塞銷座出現(xiàn)異形變形,而銷座上端的較大剛度阻止活塞銷座的形變,從而導致了活塞銷孔的上端出現(xiàn)了應力的集中。在活塞的銷座得出的最大應力為198.1MPa左右,已超過活塞材料在常溫下的最大許用應力195MPa。而活塞的其他部位應力值都在許用應力195MPa以下。另外,活塞加強筋與活塞頂部相連的部位也會出現(xiàn)應力集中的情況,但其應力值約為185MPa。在結果查看界面進行復制，來查看變形云圖建童制型一一X刪陰冋Del|斑定:住走亓汪示耽消標舉WindcirS|iiodoTl-stru-stru研范體血設AP究分析=|3tru

10、stru-結果圏I定義圖2力邊界條件下活塞變形云圖（單位mm）斗850e-02A.500e-02A.000e0B3500e-023.000e-022*5Q0e-022*000&-021.500e-0Z1*000e025t000e030*000e400模擬計算出柴油機活塞的整體變形分布情況如圖所示?；钊冃沃凶畲笾禐?.0485mm，位于受活塞兩側的活塞裙部的下部邊緣，活塞的整體變形是以活塞銷孔為變形最小的區(qū)域，不斷向四周擴散，變形量也逐漸增加。活塞頂部及燃燒室變形量大概在0.038mm到0.012mm之間，相對來言頂部比燃燒室底部變形大?；钊h(huán)岸及裙部區(qū)域的變形大概在0.03mm到0.

11、0015mm之間。在活塞單獨機械負荷作用下，由于加入了燃氣壓力，活塞裙部、活塞銷座等區(qū)域應力值大大增加。而活塞裙部下側處的剛度非常低，因此出現(xiàn)較大變形?？紤]原因可能是活塞的頂部在沿活塞銷孔軸向發(fā)生彎曲，這樣會使裙部稍有向外增大的趨勢，再者活塞在高溫下本身就會膨脹，所以活塞的裙部變形會比較大。二、熱分析1.概述活塞熱邊界條件的確定通常采用第三類邊界條件，即給定邊界的外圍介質(zhì)溫度和換熱系數(shù)主要包括活塞各邊界與燃氣、冷卻水、冷卻油、曲軸箱內(nèi)油霧以及自由環(huán)境之間的換熱系數(shù)和相應溫度?；钊敳繐Q熱系數(shù)及燃氣平均溫度利用AVL公司的BOOST軟件對發(fā)動機缸內(nèi)工作過程進行仿真計算，得到發(fā)動機在標定工況下的缸

12、內(nèi)燃氣溫度及其對流換熱系數(shù)。下圖所示:活塞頂面燃氣溫度高達1900K,燃氣平均溫度為9001000K,對流換熱系數(shù)平均為500600W/(m2£?；钊麄让鎿Q熱系數(shù)和環(huán)境溫度活塞側面的熱量通過氣缸套間接傳給冷卻水，其換熱系數(shù)按式(1)計算，以冷卻水溫度作為環(huán)境溫度。俎=(g*用叫式中：入1、入2、入0分別為活塞環(huán)、氣缸壁和間隙內(nèi)油或氣的導熱系數(shù);入3為氣缸壁與水之間的換熱系數(shù)，入f為平均水溫時水的導熱系數(shù)，deq為水套當量直徑，Nuf為努塞爾特準則數(shù)。活塞內(nèi)側換熱系數(shù)和環(huán)境溫度活塞內(nèi)側頂部布置了冷卻油道，底部主要與油霧接觸，故活塞內(nèi)側環(huán)境溫度取曲軸箱內(nèi)機油的溫度，換熱系數(shù)自下而上取為3

13、00500W/(m2K)?；钊幍墓ぷ鳝h(huán)境決定了其溫度分布極其復雜，活塞經(jīng)冷卻介質(zhì)帶走熱量的途徑很多，可經(jīng)活塞環(huán)，氣缸套把熱量帶走，也可以經(jīng)氣缸套直接帶走。而活塞與活塞環(huán)、活塞環(huán)與氣缸套、活塞與氣缸套之間，既有油膜又有氣隙，并有相對運動。因此，以上通過仿真計算、經(jīng)驗公式和經(jīng)驗值所得到的熱邊界條件可能與活塞實際的傳熱邊界條件相差很大。為了得到更為精確的熱邊界條件，需要對比活塞溫度場計算結果與活塞上對應測點的溫度值，不斷修正邊界條件，直到計算結果較為接近實測結果。表1為最后得到的活塞在標定功率工況下的穩(wěn)態(tài)邊界條件。盂I活塞在標定功率工況卜的穩(wěn)態(tài)邊界條件位豈壞境丿龍換熱系滾/W*(m1K-x位賈壞

14、境亠代fW*irfKJ-外壞Hid400第M岸160270b中環(huán)85fl450第1：面3101jl面內(nèi)壞她500訐底面15U29。排氣【19504W幣下面320進氣門S4<J3S0第二壞岸1502S0周面1000570第1：面TO也底圈8*10510,/底血140310伽500楫下面3502中右中m470弟二壞岸14U320室巾心上890450裙部1O350中心頂?shù)?430油道100780火力岸19010014<J310第上面160390內(nèi)下部300捺底面150450川部ion350槽下面160400腔L部3902.添加熱邊界條件切換到熱模式愛再生Ctrl十G麗(5Ctrl4Z重做

15、血Ctl+¥M剪切ECtrl十K電MS'Q爵粘貼(P)Ctrl+C匚_trl-+V薛的晦含(E)恢復(U)卜握升(P)刪除(D)參照(F)瑟(N)謂整殼對相切的相鄰項選取卜軸直找(冃CtrkF當前坐標岳口|MethEinic日極型設置編輯(E)觀圉M描入屆性的AutaGL功能模式匚MechanicaL:t©L模型類型-結枸將模擬佶轉渙齒主値Mechanics樟型設晉匚FEM模式廠缺省界面連揍點擊對流條件工具，選擇曲面，并按表1輸入對流系數(shù)和體表溫度對稠牛QI-名稱主面曲面-時說系數(shù)空間變化1均土"3(S|4QD|F'(mV町”-悻雀溫避Th).空間

16、變化均勻¥V肌QC丁礁丘|預墮h更墮Tb取消dyZ繼續(xù)添加邊界條件按表1逐一添加熱邊界條件，最后如下訂S:-.趙:訥3.新建熱分析包回_Jj99殳：日巳芻烏分析和設計研究ZtW(F)篦涓運行園信電EB新建斫準設計酬駄茹逵毎感庾設忡研窮規(guī)就化設計研駄盂啟動己賓或茅延專態(tài)記分析新卿態(tài)劇折，”彈出對話框設置如下類型扳盍：優(yōu)優(yōu)去估動它尼眾爭蠱點擊運行，開始計算，幾分鐘后完成4. 結果查看及分析點擊結果查看選擇溫度，確定并顯示。顯示后在復制一個溫度梯度云圖4一290e+02圖3熱邊界條件下活塞溫度分布（單位。C）4.010巴十0己3740e+023,470e十0£3Z00E1-1-0

17、22-930&+022.660e十0己呂390+02乙120e十0£1850e+021.5S0&+02圖4熱邊界條件下活塞溫度梯度（單位°C/mm）1.689e+011.520e+011.184e+011.016e+018o77e+006.795e+005.113e+003t432e+001.750e十006,836e-02活塞頂部與燃燒室接觸的內(nèi)側溫度最高，從活塞頂部內(nèi)邊緣到活塞頂外邊緣，隨著活塞半徑的增大，溫度逐漸下降。最高溫度為428°C，出現(xiàn)在活塞頂靠近燃燒室的內(nèi)側邊緣處；活塞頂部最低溫度約為381C，位于活塞頂部外邊緣；燃燒室底部中心溫度

18、較高達到403C；周圍底部一圈溫度逐漸降低，最低溫度約為372C；火力岸溫度為399C；第一環(huán)槽區(qū)最高溫度為367C，位于活塞的第一環(huán)槽上端面，活塞環(huán)岸及裙部自上向下溫度依次降低?；钊N處的最高溫度大概333C左右，位于活塞銷靠近活塞內(nèi)腔側；活塞內(nèi)腔溫度最高值為377C左右；活塞裙部溫度不高，裙部的最高溫度311C，位于活塞銷孔正上方；最低溫度158C，位于活塞裙部下沿。從溫度分布分析可知，活塞的整個溫度偏高，這是因為模擬過程中沒有考慮冷卻方式，也沒有考慮活塞實際工作中潤滑油的飛濺冷卻，因此得到的溫度分布總體來說偏高，特別是頂部最高溫度、燃燒室底部溫度、第一環(huán)槽和第一環(huán)岸的溫度。由活塞的溫度梯

19、度云圖,最大溫度梯度值為16.9C/mm,最小的溫度梯度值為0.068C/mm,最大溫度梯度的位置是活塞的第三環(huán)槽處,且在該處的溫度梯度變化較為劇烈,迅速從最大值降低到了大部分活塞的溫度梯度水平,整個活塞的溫度梯度值大部分都在6.0C/mm以下。從溫度梯度的值也可以判斷出熱量主要由活塞環(huán)區(qū)流出,只有少部分是由活塞銷和裙部傳出,更有少部分是由活塞的背面?zhèn)鹘o曲軸箱和冷卻油。三、熱力耦合1. 熱載荷施加在壓力分析和熱分析完成的前提下，進行熱力耦合分析，分析界面切換到結構分析晦舊視圖(V)插入屋性(R)氏utoGI:營再生(G)CTrl+Gj撤做U)Hl+jL.'重做(R)Ctr1+¥

20、;:X頒廠)Ctri-i-X;電復制(C)CtiII+C；眉就(P)nctri+v1替換的；隱含：a履(U)扌尉I刪除)；參照舊I左文i調(diào)整売對相切的相鄰項:瞬:黑査找(F).Ctrl+F當前坐標系(匸)Mechanica模型設置（M|彳眾擬值轉換為土值Mechanica模型設置廠功能模式一二IMechanizeLite摸里芙生踣構T結構熱口FEM模式|高級»廠缺省界面連接W百|(zhì)取消然后將熱分析以力載荷的形式加載到力分析中去插入6雇性曲AutcGEM曲冏信息4-力/力矩載荷（。圧壓力載荷（円國承載載荷01重力載荷口）“刖離右戟荷口齟銅（5ZZI金位移約束g.廉平面鮑束（©薇

21、銷釘藝束.卜Cl全局呵cl外部舊I®磚藥古FIU、選中使用前一設計研究，表示將要轉化的分析為之前的熱分析，參照溫度20°，表示應力為零時的溫度2. 靜態(tài)分析選擇分析和設計研究工具選擇新建靜態(tài)分析名稱輸入str_therm，約束和載荷分別采用默認，收斂方法采用單通道自適應即可在str_therm選中下，點擊運行按鈕，幾分鐘后分析結束3.結果查看£點擊結果查看，在下圖選擇應力，單位Mpa結果如下圖5活塞的熱力耦合應力（單位MPa）4.32Ge+033. Q93e+03弓60e+033.028e十Z.595e+03乙163e+031.730&+031.Z98e+

22、038,65Ee十0己4.327e+021.5G2e-01圖6活塞的耦合變形（單位mm）4.271e-013.S44e-013.17e-01?.990e-01?.563e-012"<.13&0011.70Se-011.EBle-018.54Ze-02沖.271e-0Z0.000e+00四、敏感度分析Pro/M通過變更設計參數(shù)來達到改變幾何形狀的目的。明顯地，改變幾何形狀將會導致應力分布、變形等參數(shù)發(fā)生改變，借助于Pro/ENGINEER模型的全參數(shù)性、關聯(lián)性以及兩者數(shù)據(jù)的無縫集成，Pro/M可以很方便的提取到Pro/ENGINEER參數(shù)作為優(yōu)化設計的設計參數(shù)。本文中研究

23、最大應力對于三個不同模型參數(shù)的敏感度，分別是銷座圓角，銷座間距及頂壁厚1.增加設計參數(shù)切換到標準模塊應田程序(P)工貝中曲椒哇標弁垂半槓飯全件巴焊接(W)f師L)sMechanicaM)3h5ticAdviscrfT)槿為精造勺Mechanica結杲的雙擊銷座圓角，顯示出R3選中R3并右鍵，選擇屬性下一個SL豐從口叢中拾匪退出齋尺寸過建鑒動尺寸注舁污養(yǎng)屋性在名稱中輸入R，表示設置圓角半徑為參數(shù)R'T四苦直人的尺寸沮舍蛙辰一竝同樣雙擊銷座的草繪平面，在18上右鍵并命名為L,表示銷座的間距，此數(shù)值表示草繪平面與中心面的距離，數(shù)值越大則銷座長度越小，|鼻性呈就丨宜坤式老稱L-值和顯茹弩公稱值

24、is.m移動玄*雙擊內(nèi)腔的草繪，選擇21.8右擊并命名為h，21.8與頂壁厚關聯(lián)，數(shù)值越大，頂壁厚越厚。閱百家科技過程說明公差公差愎式R逋d移動移動立豐.屈性顯奈文本樣式名稱-値利顯示®£稱値zi.創(chuàng)0O覆蓋恒O反限公差渲0口舍五入的尺値2.定義敏感度分析切換到分析模塊，新建敏感度分析'關飯介析和設汁研祎立樣側囁巳運行貳,新鞍!態(tài)分折,”新舷勞分折，”新建動態(tài)井折礎新準說計硏駄|并建更愍度設計iiff究険就化設計硏也巳1炭型蘭局軟宅崖標;哇吞杏抹淮諾態(tài)E動就戒.<成成蘇啟完詡詡詡詡聒未rB£EE在打開的對話框中輸入?yún)?shù)，類型選擇局部敏感度，并在變量中

25、選擇前述創(chuàng)建的3個參數(shù)閱百家科技過程說明確定后運行分析，分析時間比較長。結束后查看結果3.結果分析選擇測量為最大應力，設計變量為R測量預定文13a?_slre5s_priRmax_stre2£_vm3ai_51re3s_niax_stre££_iviBK_3lre23_izi.ax_5tre5s_yy3JBK_3l:ress_TZz.BX_stress_zzlin.stressjrinstraiK_energytotal_cosi邀期整4模型的最大vonMises應力大小回品示預走丘的測童在結果界面復制另外兩個設計變量的最大應力，最大應力和最大變形對設計變量的敏感

26、度如下"Windfrwlp"Wi前鮎I“200.PHUI注IL.HUOSAlMVLoadStlI:丫耶jiwmi9uM_*IBn.Ert.MA:LnadeiI:HUOSAl圖7最大應力相對于圓角半徑參數(shù)R和銷座間距L及頂壁厚h敏感度橫坐標為設計變量的變化范圍，縱坐標為最大應力（單位MPa）橫坐標為設計變量的變化范圍，縱坐標為最大變形（單位mm）從上圖數(shù)據(jù)來看，最大應力對銷座間距L最為敏感，對銷座圓角半徑R及頂壁厚h敏感度相對較小，而最大位移的敏感度與最大應力相當。通過判斷，圓角半徑R及頂壁厚h對我們感興趣的參數(shù)量影響不大，因此可以在后續(xù)的設計研究中做適當排除。4.溫度敏感度

27、分析4?乩IQ_-therin11WindoifI"-senLther_r-thrmD.t594r4stIP7.50-0.咖_4£7.S52.0D?.2d2帥巴網(wǎng)2.80乳on3.JDR：HUOSAIihdm.tHripdf口1r由O.t3?8O.t39?_o.ms_口-JOSB3_0.B304-D.b3B?_0.&38O-j.Dfl2.20?.JiL6DLfil3.0DJ.?Q1403.60i.$04DOflHUOSAI*14iaI.ftm圖9圖9最大溫度及質(zhì)量相對于圓角半徑R敏感度縱坐標左圖為溫度，右圖為質(zhì)量，橫坐標為圓角半徑R的變化a；l64f-_04S_0-

28、6250-.635eiO-G3o0.6200.510ktal.fHdlS19coig.SD2dn20.50?iiji302；.on2J.5O2i.noh:HUOSAI"WindowI'-seni_iherm-themtJHr«F.5O4?7.0?7.8D百程T.TDo.4P7.-BD427.404£7.3n,_i_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,!I95dmi毬知21.oa2I.5DJ2.DD22.50ia.dDh:HIJOSAI楝歆5D，-42&.&Q4?9血_4PS.5D4?5.40_427.00.1$.的16.5

29、QIT.QQ17.&DIR.DQ14.50I9.D019.5?20L：HU0SMEtn.hupEf口1r*rigI_tempecifurefCJ-f11indowI11-seni-therm-1h-srm4ga.oii-Hsifipdfdru圖10最大溫度及質(zhì)量相對于頂壁厚h敏感度縱坐標左圖為溫度，右圖為質(zhì)量，橫坐標為頂壁厚h的變化ipqf_tempecifuremt"WindowI"-sent_i-her_L-therm4沖帥r圖11最大溫度及質(zhì)量相對于銷座間距L敏感度縱坐標左圖為溫度，右圖為質(zhì)量，橫坐標為銷座間距L的變化有圖看出，最大溫度對于銷座間距L最敏感，頂

30、壁厚h次之，圓角半徑R影響不大五、優(yōu)化分析1.新建優(yōu)化設計經(jīng)過前面的分析，判斷優(yōu)化設計從銷座間距L為入口，再加入頂壁厚進行優(yōu)化，此處頂壁厚選擇燃燒室內(nèi)腔的高度為參變量，在本模型中的屬性名稱為d42。野建靜態(tài)分析軒分折軒舷制析.“甘建和譽甘析針敘堪廢設計柚”|黔弛闔+硏埶黃閃矣型伏億局部鎖惑匡仝局敏感懇全局儀惑度壬局敏惑度根遊希態(tài)枳:年韻烝itv.優(yōu)化上動成成成亦廊硯成停啟完冗冗兗二亠元完已未己己已已1H已打開的對話框輸入?yún)?shù)，類型為優(yōu)化，目標以模型質(zhì)量最小化，設計極限確定為最大應力為195Mpa，設計變量選擇燃燒室內(nèi)腔高度d42和銷座間距L,二者參量變化范圍如圖點擊運行后經(jīng)過1個多小時計算完成

31、，查看結果查看最大應力，最大質(zhì)量優(yōu)化結果六、壓力分析結果i.zg(j-+.121.G19r+0?1.舶弘十.259e+0E1r0F.1=+SE-；.3Sne+1.f.20?:?+i.5.-i.-：H0"I.-=_-011.17：3e-011.-rr_-芒1-I二已-IF'.-I.+I.'1.-e-I,-1.-.-+1.-a.ggge+Qi7.+'i.匸一-i-=+刁.2.E-+-I.:.E.-+I.1.1JL圖12力邊界條件下活塞應力云圖（單位MPa）由圖可以看出,活塞受到氣體的爆發(fā)壓力和往復慣性力的作用,它們的共同特點就是都沿著活塞的軸線方向作用,所以活塞的

32、軸線方向承受著極大的載荷。由于活塞在上止點附近向下運動時活塞銷會出現(xiàn)彎曲變形,使活塞銷座出現(xiàn)異形變形,而銷座上端的較大剛度阻止活塞銷座的形變,從而導致了活塞銷孔的上端出現(xiàn)了應力的集中。在活塞的銷座得出的最大應力為180MPa左右,未超過活塞材料在常溫下的最大許用應力195MPa。而活塞的其他部位應力值都在許用應力195MPa以下。另外,活塞加強筋與活塞頂部相連的部位也會出現(xiàn)應力集中的情況,但其應力值約為108MPa。:一-Ti-|4.500C-0Z斗000E-0E3-H'-I'.1-._L-L；_-.II'-I-1.'.H.e-i.-1.'lr-l-&#

33、39;1.II-I叫.btL-U匚q.'.'ULl-l匚4.UUL'.一L匚IJL亠3.0E己一fii-I-.-.Pirn7r=-T1-r.Q1.000e-0E.noni-r.-：.iiiii.-+I:i:圖13力邊界條件下活塞變形云圖（單位mm）模擬計算出柴油機活塞的整體變形分布情況如圖所示?；钊冃沃凶畲笾禐?.04698mm，位于受活塞兩側的活塞裙部的下部邊緣，活塞的整體變形是以活塞銷孔為變形最小的區(qū)域，不斷向四周擴散，變形量也逐漸增加?；钊敳考叭紵易冃瘟看蟾旁?.0314mm到0.011mm之間，相對來言頂部比燃燒室底部變形大。活塞環(huán)岸及裙部區(qū)域的變形大概在

34、0.03mm到0.001mm之間。在活塞單獨機械負荷作用下，由于加入了燃氣壓力，活塞裙部、活塞銷座等區(qū)域應力值大大增加。而活塞裙部下側處的剛度非常低，因此出現(xiàn)較大變形?？紤]原因可能是活塞的頂部在沿活塞銷孔軸向發(fā)生彎曲，這樣會使裙部稍有向外增大的趨勢，再者活塞在高溫下本身就會膨脹，所以活塞的裙部變形會比較大。七、熱分析結果3,365e+0Z3aE0e+023.000e+022aB00i=+i3Z2”£00e+Q2己”400&+0Z2.200e+022,000e+021,800+0?1aFie+0Z1.43Se+02圖14熱邊界條件下活塞溫度分布（單位。C）:.-=+!：.：.I

35、.一+.L_?+LL9-721+ii.I_+LU-II-il-7._-rr-1+rr1-n-+r-115+Ll9.1:亡+lZ-7RSe+00i'.:-I_+LJ_一、：廠亡+：.jiL5+L2a.匸+i;r一=，：一二+r1._.Z+L3.IIr-r.'圖15熱邊界條件下活塞溫度梯度（單位°C/mm）活塞頂部與燃燒室接觸的內(nèi)側溫度最高，從活塞頂部內(nèi)邊緣到活塞頂外邊緣，隨著活塞半徑的增大，溫度逐漸下降。最高溫度為337°C，出現(xiàn)在活塞頂靠近燃燒室的內(nèi)側邊緣處；活塞頂部最低溫度約為313C，位于活塞頂部外邊緣；燃燒室底部中心溫度較高達到316C；周圍底部一圈溫

36、度逐漸降低，最低溫度約為297C；火力岸溫度為305C；第一環(huán)槽區(qū)最高溫度為291C，位于活塞的第一環(huán)槽上端面，活塞環(huán)岸及裙部自上向下溫度依次降低。活塞銷處的最高溫度大概270C左右，位于活塞銷靠近活塞內(nèi)腔側；活塞內(nèi)腔溫度最高值為298C左右；活塞裙部溫度不高，裙部的最高溫度255C，位于活塞銷孔正上方；最低溫度144C，位于活塞裙部下沿。從溫度分布分析可知，活塞的整個溫度偏高，這是因為模擬過程中沒有考慮冷卻方式，也沒有考慮活塞實際工作中潤滑油的飛濺冷卻，因此得到的溫度分布總體來說偏高，特別是頂部最高溫度、燃燒室底部溫度、第一環(huán)槽和第一環(huán)岸的溫度。由活塞的溫度梯度云圖,最大溫度梯度值為12.4

37、5°C/mm,最小的溫度梯度值為0.033°C/mm,最大溫度梯度的位置是活塞的第三環(huán)槽處,且在該處的溫度梯度變化較為劇烈,迅速從最大值降低到了大部分活塞的溫度梯度水平,整個活塞的溫度梯度值大部分都在5C/mm以下。從溫度梯度的值也可以判斷出熱量主要由活塞環(huán)區(qū)流出,只有少部分是由活塞銷和裙部傳出,更有少部分是由活塞的背面?zhèn)鹘o曲軸箱和冷卻油。八、敏感度分析結果ip<iB_di(mn)橫坐標為設計變量的變化范圍，縱坐標為最大應力（單位MPa）R:HUO和i嚴*P.啲gii+t*iHkLogdSciIftHTLxdSi訂I:HUOSAI"Wifidil"

38、5enl_R-sIru(!。譏J,III"I6.no14.50II.0QIT.51l£.ltIB.SO11.0114.50L：HUOSAl0MT-dIkp.rM*|qpcs_di(mm?時紆，JPtt*%:LoadScII:"Windowll11bgejx-p-ulct圖17最大位移相對于圓角半徑參數(shù)R和銷座間距L及燃燒室內(nèi)腔高度B（頂壁厚）敏感度橫坐標為設計變量的變化范圍，縱坐標為最大變形（單位mm）九、優(yōu)化設計結果經(jīng)過前面的分析，判斷優(yōu)化設計從銷座間距L為入口，再加入頂壁厚進行優(yōu)化，此處頂壁厚選擇燃燒室內(nèi)腔的高度為參變量，在本模型中的屬性名稱為B。新建優(yōu)化設計

39、研究怕析和設計研究慣態(tài)哇sent_RJtherm£ffi辰錨化化讓局局月局港優(yōu)優(yōu)優(yōu)全全全全標施動或強戎我惑失未己己E已己關閒在優(yōu)化研究定義對話框輸入?yún)?shù)，類型為優(yōu)化，目標以模型質(zhì)量最小化，設計極限確定為應力小于170Mpa，設計變量選擇燃燒室內(nèi)腔高度B和銷座間距L,二者參量變化范圍如圖運行分析，1個小時后，計算完成查看最大應力，最大質(zhì)量優(yōu)化結果ooIj5HUOSAIHUOSAIopt_LB沖uc-flD.0Q_205.0O_0.g.l?U.0O_心*141-fl11.4115!；-IIS.0O_vTimax_.s1rejvmhotaI_m<u5kqHlStO#:LoodSeH3>4_&a