發(fā)動機活塞銷孔結(jié)構(gòu)強度分析及改善

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23析 24析 2727確定2828302.2.5活塞組有限元模型21活塞組應(yīng)力及變形的研究 233.1活塞組在機械載荷下的變形研究3.2活塞組在機械載荷作用下應(yīng)力分活塞銷孔結(jié)構(gòu)改進后的有限元分4.1襯套的材料及幾何模型的確定4.2活塞組有限元模型的建立 274.3活塞組的機械載荷及邊界條件的活塞組機械載荷下變形的分析活塞組機械載荷下的應(yīng)力分析結(jié)論33展望34參考文獻35致謝371引言1.1概述發(fā)動機是一種將燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)變成為機械功的動力機械。這種能量轉(zhuǎn)換是燃油在氣缸中與空氣充分混合進行燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的工作氣體，推動活塞、連桿、曲軸，從而使燃油化學(xué)能轉(zhuǎn)變成機械功向外輸出的。發(fā)動機經(jīng)歷了一百多年發(fā)展，雖然基本構(gòu)造變化不大，但其性能和設(shè)計水平一直在不斷提高，其燃油經(jīng)濟性、升功率、緊湊性、制造成本、可靠性和使用壽命等主要技術(shù)指標(biāo)不斷得到改善。近年來，為適應(yīng)環(huán)境保護的要求，在減少其有害排放物、減少振動與噪聲等方面也在不斷地進步。伴隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率的提高，必然會帶來缸內(nèi)燃?xì)獗l(fā)壓力和溫度增高。燃?xì)獗l(fā)壓力增加，一方面使得活塞、缸體和缸蓋承受的機械負(fù)荷增大，導(dǎo)致活塞、缸體和缸蓋因強度不足而產(chǎn)生破壞。另一方面壓力升高過大，還會產(chǎn)生敲缸現(xiàn)象和增加發(fā)動機燃燒噪聲。燃?xì)鉁囟壬?，?dǎo)致組成發(fā)動機燃燒室的受熱零件熱負(fù)荷增加，產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力和熱變形，溫度過高還會導(dǎo)致受熱零件材料強度和硬度急劇下降，降低其可靠性和使用壽命?；钊前l(fā)動機工作條件最苛刻的零件之一，它在高速往復(fù)運動中傳遞著整個發(fā)動機原動力，承受著非常高的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷?；钊侵萍s發(fā)動機進一步強化的瓶頸之一。活塞設(shè)計好壞、加工精度的高低都會直接影響發(fā)動機經(jīng)濟性、可靠性、檢修周期和使用壽命。溫度過高會降低材料許用應(yīng)力和強度，從而縮短活塞使用壽命和降低發(fā)動機性能。另外在熱負(fù)荷和機械載荷作用下，活塞整體會發(fā)生變形，從而影響活塞與缸套之間的配合精度。發(fā)動機工作時，各零件之間存在著多種運動形式，而且有的大運動組件之中還包含著微小的運動，在曲柄連桿機構(gòu)中，活塞和缸套之間的往復(fù)運動過程中，就同時存在著活塞銷和銷孔間的旋轉(zhuǎn)運動、活塞環(huán)和活塞環(huán)槽之間的旋轉(zhuǎn)運動，這些零件間雖然沒有很高的相對運動速度，但是存在著很大的作用力，這樣，在相互接觸之間就會產(chǎn)生接觸應(yīng)力和切向運動阻力一摩擦力，因而會造成摩擦損失，嚴(yán)重時，會在摩擦力的作用下造成零件的損壞?；钊N與銷孔間既然有相互運動且存在相互作用力，就一定存在摩擦力。這種摩擦力，雖然對發(fā)動機的有效效率沒有多大的影響，但是，如果活塞銷孔處的溫度過高（活塞銷孔溫度超過1800°C），活塞銷與銷孔之間的接觸應(yīng)力過大，就會破壞了二者之間存在的潤滑油膜，使銷孔表面和活塞銷在局部形成干摩擦，將有可能導(dǎo)致活塞銷孔表面拉毛、拉傷，使之不能正常工作；同時作用在銷孔上機械應(yīng)力過大，而此時活塞材料在高溫下性能下降，有可能使活塞銷孔產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時會導(dǎo)致活塞銷孔開裂、破碎，甚至損壞發(fā)動機機體。對活塞進行熱、力分析研究方法有多種，近年來，利用有限元技術(shù)對活塞進行熱、力耦合研究越來越普遍。在計算機技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的有限元法(FEM，F(xiàn)initeElementMethod)為解決發(fā)動機各零部件的分析計算問題提供了有效途徑，它具有試驗方法和理論解析方法無可比擬的優(yōu)勢，己經(jīng)成為發(fā)動機性能研究的重要手段。在發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計實踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)集成應(yīng)用，縮短了發(fā)動機產(chǎn)品設(shè)計和分析周期，降低了發(fā)動機產(chǎn)品成本，提高了發(fā)動機產(chǎn)品可靠性。同時在發(fā)動機新產(chǎn)品制造前，通過模擬各種試驗方案，預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在問題，從而減少試驗時間和經(jīng)費。如今有限元分析方法在活塞開發(fā)設(shè)計中已得到廣泛應(yīng)用，大大提高了活塞設(shè)計的可靠性，縮短了開發(fā)周期。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基于計算機技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的普及，目前國外公司對活塞的機械疲勞研究多采用對比發(fā)動機耐久試驗與活塞液壓脈沖疲勞試驗數(shù)據(jù)，以計算機仿真建模和有限元計算為支持，模擬熱負(fù)荷及機械負(fù)荷等對活塞結(jié)構(gòu)的影響，計算活塞的熱機械應(yīng)力，判定活塞的可靠性能。但由于技術(shù)保密的原因，國外研究機構(gòu)對20世紀(jì)末期以后的活塞機械疲勞可靠性研究及相關(guān)文獻處于保密狀態(tài)，活塞材料S——N曲線規(guī)律、新材料的研制、機械疲勞研究中的新技術(shù)等鮮見相關(guān)的文獻報道。國外對活塞銷孔機械疲勞可靠性的試驗研究包括發(fā)動機耐久性試驗及活塞液壓脈沖疲勞試驗兩種形式，部分研究機構(gòu)還進行了銷座部位的應(yīng)力測試工作。國內(nèi)外發(fā)動機公司對發(fā)動機強化試驗的考核也有所不同。英國Wellworth公司以110%標(biāo)定功率運轉(zhuǎn)500小時，然后再進行500小時1100k最大扭矩試驗，考核活塞銷座、燃燒室邊緣等部位是否出現(xiàn)裂紋；日本小松制作所對工程機械用柴油機進行了強化對比試驗，柴油機以標(biāo)定工況運轉(zhuǎn)8000小時后活塞銷座出現(xiàn)裂紋，當(dāng)以120%負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，2300小時活塞銷座就出現(xiàn)了裂紋。國內(nèi)各發(fā)動機公司及國家標(biāo)準(zhǔn)也有相關(guān)的試驗考核規(guī)范。與發(fā)動機耐久性試驗相比，考慮到高效、節(jié)能及便于分析的特點，國外各活塞專業(yè)公司更傾向于采用活塞液壓脈沖疲勞試驗來考核銷座的可靠性?；钊簤好}沖疲勞試驗系統(tǒng)內(nèi)的活塞由活塞銷和連桿支撐，用兩個獨立油壓控制系統(tǒng)對活塞施加脈動載荷，一個位于活塞頂部模擬氣體壓力，另一個位于活塞下側(cè)模擬慣性力。ZOLLNER公司對柴油機活塞銷孔可靠性進行的試驗研究表明，采取滾壓銷孔表面工藝的活塞疲勞極限比圓柱形銷孔提高63%，錐形活塞銷孔結(jié)構(gòu)的活塞疲勞極限較圓柱形銷孔可提高60%，增加銷孔橢圓度或采用減壓弧結(jié)構(gòu)對提高活塞銷孔的疲勞極限影響甚小。1.3課題研究的主要內(nèi)容和方法利用PRO/E軟件對活塞和銷的1/2模型進行實體建模，并做適當(dāng)?shù)暮喕??；钊艿降臋C械載荷主要有氣體爆炸壓力，往復(fù)慣性力，側(cè)推力及連桿的支座反力。求出活塞在最惡劣工況下的載荷條件并進行簡化，定義適當(dāng)?shù)倪吔缥灰茥l件，從而建立活塞組的有限元模型。分析活塞的有限元模型，求出最大應(yīng)力及其位置，并求出活塞銷孔處的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中情況；同時分析活塞的變形情況和活塞銷孔處的變形情況。對活塞銷孔結(jié)構(gòu)進行改進，并進行分析，同改進前的應(yīng)力分布和變形情況進行比較，并給出建議。2有限元基礎(chǔ)理論及活塞組有限元模型的建立2.1有限元基礎(chǔ)理論及ANSYS簡介2.1.1有限元法概述有限元法(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM)，也稱有限單元法或有限元素法，基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限的且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。有限單元法分析問題的思路是從結(jié)構(gòu)矩陣分析推廣而來的。起源于50年代的桿系結(jié)構(gòu)矩陣分析，是把每一桿件作為一個單元，整個結(jié)構(gòu)就看作是由有限單元(桿件)連接而成的集合體，分析每個單元的力學(xué)特性后，再組集起來就能建立整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)方程式，然后利用計算機求解。有限元離散化是假想把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并認(rèn)為相鄰單元之間僅在節(jié)點處相連。根據(jù)物體的幾何形狀特征、載荷特征、邊界約束特征等，單元有各種類型，節(jié)點一般都在單元邊界上，節(jié)點的位移分量是作為結(jié)構(gòu)的基本未知量。這樣組成的有限單元結(jié)合體，并引進等效節(jié)點力及節(jié)點約束條件，由于節(jié)點數(shù)目有限，就成為具有有限自由度的有限元計算模型，它替代了原來具有無限多自由度的連續(xù)體。在此基礎(chǔ)上，對每一單元根據(jù)分塊近似的思想，假設(shè)一個簡單的函數(shù)來近似模擬其位移分量的分布規(guī)律，即選擇位移模式，再通過虛功原理（或變分原理或其他方法）求得每個單元的平衡方程，就是建立單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關(guān)系。最后，把所有單元的這種特性關(guān)系，按照保持節(jié)點位移連續(xù)和節(jié)點力平衡的方式集合起來，就可以得到整個物體的平衡方程組。引入邊界約束條件后，解此方程就求得節(jié)點位移，并計算出各單元應(yīng)力。因此，完整的有限元分析（FEA）流程圖如圖2.1所示。決定分析項目決定分析的幾何結(jié)構(gòu)、邊界條件和外力獲取材料性質(zhì)建立有限元模型，包括：單元類型材料性質(zhì)加載并求解輸出分析結(jié)果結(jié)果是否合理進行改進處理問題解決或得到最優(yōu)化N圖2.1有限元分析流程圖2.1.2有限元法劃分原則網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度會有所提高，但同時計算規(guī)模也會增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡兩個因數(shù)綜合考慮。圖2.2位移精度和計算時間隨網(wǎng)格數(shù)量的變化圖2.2中的曲線1表示結(jié)構(gòu)中的位移隨網(wǎng)格數(shù)量收斂的一般曲線，曲線2代表計算時間隨網(wǎng)格數(shù)量的變化?？梢钥闯?，網(wǎng)格較少時增加網(wǎng)格數(shù)量可以使計算精度明顯提高，而計算時間不會有大的增加。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格時精度提高甚微，而計算時間卻有大幅度增加。所以應(yīng)注意增加網(wǎng)格的經(jīng)濟性。實際應(yīng)用時可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計算結(jié)果，如果兩次計算結(jié)果相差較大，可以繼續(xù)增加網(wǎng)格，相反則停止計算。在決定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)考慮分析數(shù)據(jù)的類型。在靜力分析時，如果僅僅是計算結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可以少一些。如果需要計算應(yīng)力，則在精度要求相同的情況下應(yīng)取相對較多的網(wǎng)格。同樣在響應(yīng)計算p，計算應(yīng)力響應(yīng)所取的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)比計算位移響應(yīng)多。在計算結(jié)構(gòu)固有動力特性時，若僅僅是計算少數(shù)低階模態(tài)，可以選擇較少的網(wǎng)格，如果計算的模態(tài)階次較高，則應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格。網(wǎng)格疏密網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計算數(shù)據(jù)的分布特點。在計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位(如應(yīng)力集中處)，為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對稀疏的網(wǎng)格。這樣，整個結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分形式。圖2.3是中心帶圓孔方板的四分之一模型，其網(wǎng)格反映了疏密不同的劃分原則。小圓孔附近存在應(yīng)力集中，采用了比較密的網(wǎng)格。板的 圖2.3帶孔方板的四分之一模型四周應(yīng)力梯度較小，網(wǎng)格分得較稀。其中圖b，網(wǎng)格疏密相差更大，它比圖a的網(wǎng)格少48個，但計算出的孔緣最大應(yīng)力相差l%，而計算時間卻減小了360k。由此可見，采用疏密不同的網(wǎng)格劃分，既可以保持相當(dāng)?shù)挠嬎憔?，又可使網(wǎng)格數(shù)量減小。因此，網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)增加到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是不經(jīng)濟的。劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應(yīng)力分析(包括靜應(yīng)力和動應(yīng)力)，而計算固有特性時則趨于采用較均勻的鋼格形式。這是因為固有頻率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計算誤差。同樣，在結(jié)構(gòu)溫度場計算中也趨向于采用均勻網(wǎng)格。(3)單元階次許多單元都具有線性、二次和三次等形式，其二次和三次形式的單元稱為高階單元。選用高階單元可提高計算精度，因為高階單元的曲線或曲而邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲線和曲而邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場函數(shù)，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時可以選用高階單元。但高階單元的節(jié)點數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)量相同的情況下由高階單元組成的模型規(guī)模要大得多，因此在使用時應(yīng)權(quán)衡考慮計算精度和時間。圖2.4是一懸臂梁分別用線性和—次三角形單元離散時，其頂端位移隨網(wǎng)格數(shù)量的收斂情況?？梢钥闯?，但網(wǎng)格數(shù)量較少時，兩種單元的計算精度相差很大， 圖2.4不同階次單元的收斂情況這時采用低階單元是不合適的。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較多時，兩種單元的精度相差并不很大，這時采用高階單元并不經(jīng)濟。例如在離散細(xì)節(jié)時，由于細(xì)節(jié)尺寸限制，要求細(xì)節(jié)附近的網(wǎng)格劃分很密，這時采用線性單元更合適。增加網(wǎng)格數(shù)量和單元階次都可以提高計算精度。因此在精度一定的情況下，用高階單元離散結(jié)構(gòu)時應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量，太多的網(wǎng)格并不能明顯提高計算精度，反而會使計算時間大大增加。為了兼顧計算精度和計算量，同一結(jié)構(gòu)可以采用不同階次的單元，即精度要求高的重要部位用高階單元，精度要求低的次要部位用低階單元。不同階次單元之間或采用特殊的過渡單元連接，或采用多點約束等式連接。(4)網(wǎng)格質(zhì)量網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格兒何形狀的合理性。質(zhì)量好壞將影響計算精度。質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂嬎?。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格而不過分扭曲、邊節(jié)點位于邊界等份點附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格質(zhì)量可用細(xì)長比、錐度比、內(nèi)角、翹曲量、拉伸值、邊竹點位置偏差等指標(biāo)度量。劃分網(wǎng)格時一般要求網(wǎng)格質(zhì)量能達到某此指標(biāo)要求。在重點研究的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，應(yīng)保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使是個別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會引起很大的局部誤差。而在結(jié)構(gòu)次要部位，網(wǎng)格質(zhì)量可適當(dāng)降低。當(dāng)模型中存在質(zhì)量很差的網(wǎng)格(稱為畸形網(wǎng)格)時，計算過程將無法進行。圖2.5是三種常見的畸形網(wǎng)格，其a單元的節(jié)點交叉編號，b單元的內(nèi)角大于180°，C單元的兩對點重合，網(wǎng)格面積為零。圖2.5幾種常見的畸形網(wǎng)格網(wǎng)格分界面和分界點結(jié)構(gòu)中的一些特殊界面和特殊點應(yīng)分為網(wǎng)格邊界或節(jié)點以便定義材料特性、物理特性、載荷和位移約束條件。即應(yīng)使網(wǎng)格形式滿足邊界條件特點，而不應(yīng)讓邊界條件來適應(yīng)網(wǎng)格。常見的特殊界面和特殊點有材料分界面、幾尺寸突變面分布載荷分界線(點)、集中載荷作用點和位移約束作用點等。位移協(xié)調(diào)性位移協(xié)調(diào)是指單元上的力和力矩能夠通過節(jié)點傳遞相鄰單元。為保證位移協(xié)調(diào)，一個單元的節(jié)點必須同時也是相鄰單元的節(jié)點，而不應(yīng)是內(nèi)點或邊界點。相鄰單元的共有節(jié)點具有相同的自由度性質(zhì)。否則，單元之間須用多點約束等式或約束單元進行約束處理。圖2.6是兩種位移不協(xié)調(diào)的網(wǎng)格劃分，圖a中的節(jié)點1僅屬于一個單元，變形后會產(chǎn)生材料裂縫或重疊。圖b中的平面單元和梁單元節(jié)點的自由度性質(zhì)不同，粱單元的力矩?zé)o法傳遞到平面單元。圖2.6位移不協(xié)調(diào)的網(wǎng)格劃分1） 網(wǎng)格布局當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀對稱時，其網(wǎng)格也應(yīng)劃分對稱網(wǎng)格，以使模型表現(xiàn)出相應(yīng)的對稱特性（如集中質(zhì)矩陣對稱）。不劉一稱布局會引起一定誤差，如在圖2.7中，懸臂粱截面相對軸對稱，在對稱載荷作用下，自由端兩對稱節(jié)點1、2的撓度值本應(yīng)相等。但若分圖所不對稱網(wǎng)格，計算出的y，=0.0346，yZ=0.0350。若改用圖C所示的網(wǎng)格，則y，和y完全相同。圖2.7網(wǎng)格布局對計算結(jié)果的影響2） 節(jié)點和單元編號節(jié)點和單元的編號影響結(jié)構(gòu)總剛矩陣的帶寬和波前數(shù)，因而影響計算時間和存儲量的大小，因此合理的編號有利于提高計算速度。但對復(fù)雜模型和自動分網(wǎng)而言，人為確定合理的編號很困難，日前許多有限元分析軟件自帶有優(yōu)化器，網(wǎng)格劃分后可進行帶寬和波前優(yōu)化從而減輕人的勞動強度。2.1.3ANSYS簡介ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。2.2活塞組有限元模型的建立2.2.1活塞組幾何模型的建立本文所分析的活塞燃燒室為凹坑形，位于活塞頂部的中央。計算時以1/2的活塞為分析對象，建立其三維模型。利用三維制圖軟件PRO/E建立活塞三維模型，然后再導(dǎo)入到有限元軟件中進行網(wǎng)格劃分和邊界條件定義，為了減少單元數(shù)量以及大小單元尺寸差，忽略模型中一些對分析影響很小的特征，比如：活塞油孔、導(dǎo)油槽和微斜角等。用PRO/E建立此模型的優(yōu)點是便于對活塞進行幾何尺寸上的優(yōu)化設(shè)計與結(jié)構(gòu)上的改進，以及具有和有限元軟件很好的接口。1）活塞的幾何建模及處理過程活塞由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何建模難度較大，這里需要考慮的因素較多。在活塞的幾何模型建立過程中，既要考慮此模型建立的準(zhǔn)確性，又要考慮幾何模型對于建立有限元網(wǎng)格的可行性。針對本文采用的活塞，以彈性力學(xué)為依據(jù)，對于不失準(zhǔn)確性的小結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)簡化、忽略，在滿足準(zhǔn)確性的要求下，也使網(wǎng)格的劃分更加理想，使計算能夠不失真，為以后的處理帶來很大方便。這里有必要對一般意義上的幾何模型和基于有限元的幾何模型進行區(qū)分說明。一般意義上的幾何模型只需要把原來的實體表達清楚便可以，當(dāng)然這里包括尺寸表達清楚、空間位置表達清晰，此時不需要對表達方式進行選擇，只要能夠達到以上各點就可以。而基于有限元的幾何模型與此有很大的差別，它不僅要把原來實體的尺寸以及空間位置表達清楚，更需要注意的是此幾何模型對于后面分析計算過程的可行性，這包括網(wǎng)格的劃分、邊界條件的附加、單元尺寸的合理性、分析計算結(jié)果的滿意度等，這些都是此幾何模型合理性及可行性的評判標(biāo)準(zhǔn)，這也是基于有限元的幾何模型建立的困難所在。對于活塞這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，一般意義上的幾何模型雖然能清楚表達原來的實體，但這離基于有限元的幾何模型還有很大距離，它不能用于有限元分析，必須對其進行適當(dāng)處理。對于復(fù)雜實體（這里指活塞），基于有限元的幾何模型必須注意遵循以下原則：（1） 盡量保持幾何模型準(zhǔn)確性，對于應(yīng)力和變形來說作為影響因素的結(jié)構(gòu)（這里指幾何形狀而言），哪些結(jié)構(gòu)是不可忽略的，而哪些是可以忽略的，必須區(qū)分清楚，進而使此模型在基于有限元分析合理可行的前提下，做到最大限度的準(zhǔn)確性。（2） 對于重點分析計算的部位，如活塞頂部、裙部等，必須做到精益求精，使這些部位盡可能保持其完整性和準(zhǔn)確全面性，以使計算分析能夠準(zhǔn)確完整。（3） 在構(gòu)造幾何模型同時就已決定以后規(guī)整網(wǎng)格劃分的過程，此處有限元網(wǎng)格劃分是以點、線為基礎(chǔ)，對于三維實體而言，是以部件（PART）為單位進行網(wǎng)格的拓展劃分（CREEP），這就需要在幾何建模同時，注意點、線、多義線和外廓線的分布和尺寸。如果這些因素的分布過密或尺寸相差過大（這里指相鄰的單元），則可能導(dǎo)致網(wǎng)格劃分的不均勻，單元比例失調(diào)，導(dǎo)致計算結(jié)果偏差，甚至有限元網(wǎng)格劃分或有限元計算過程的終止，這也是建模過程中兩個矛盾方面，一方面要盡量準(zhǔn)確描述實體幾何形狀，這就需要應(yīng)用較小的單元進行網(wǎng)格劃分，而對于有限元計算程序而言，其計算容量（這里包括各種幾何因素、特別是單元和節(jié)點的數(shù)目）是有限的，要使計算結(jié)果可行準(zhǔn)確，不能應(yīng)用過多的單元或過小的單元（過小的單元容易導(dǎo)致單元畸變）。對于活塞這樣一個復(fù)雜的幾何實體，要做到準(zhǔn)確完整，更需相應(yīng)的嘗試和經(jīng)驗。（4） 在建造幾何模型的同時，還需要考慮邊界條件的附加，理論上對表面的有限元單元逐節(jié)點或逐單元進行邊界條件附加是可行的，然而事實上，尤其對于活塞這樣一個結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件而言，是非常困難的。所以這又要求在建模的同時，對于不同的邊界條件給予不同的面或區(qū)域（這是針對三維的實體幾何模型而言），使得邊界條件的附加成為可能，也帶來極大的方便性。下面就本文使用的活塞具體建模過程作具體介紹：◎活塞頂部的處理汽油機活塞的頭部形狀較為復(fù)雜，本研究使用的活塞為圓形的凹坑頂部，凹坑位于活塞頂部的中央?；钊^部呈正圓錐形。為了便于劃分網(wǎng)格，在頂面過渡處省略圓角?！蚧钊h(huán)岸以及環(huán)區(qū)的處理此處嚴(yán)格按照原有尺寸進行建模，但需說明對于尺寸極小的弧形斜度和臺階給予忽略，這些結(jié)構(gòu)對于熱力學(xué)分析的影響極小，但其又會導(dǎo)致網(wǎng)格劃分的失敗或計算結(jié)果的嚴(yán)重偏差，所以對它進行忽略。◎裙部的處理活塞裙部型線復(fù)雜，在具體的建模過程中，裙部按照實際尺寸進行建模。◎底部的處理底部由于結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，完全按照原來尺寸進行建模?！蜉S銷座部位的處理軸銷座對于活塞整體不均勻變形有重要的影響，所以此處作精確建模，這也是保證變形計算結(jié)果的重要依據(jù)?！騼?nèi)腔的處理內(nèi)腔形狀對于活塞頂部傳入的熱量導(dǎo)出起到很大作用，所以此處建模尺寸和形狀基本按照原來尺寸和形狀。◎油孔、導(dǎo)油槽和微斜角、微圓角的處理因為油孔、導(dǎo)油槽和微斜角、微圓角的尺寸均較小，而且其對于變形的影響極小，所以此處基本上都給予忽略。2） 活塞組幾何模型的參數(shù)活塞的基本參數(shù)如下表3.1：表3.1活塞基本參數(shù)圖3.1活塞組的視圖3） 活塞組的材料參數(shù)活塞所處工作環(huán)境惡劣，因此對活塞材料性能要求較高，一般要滿足下面幾個條件：密度小、熱膨脹系數(shù)小、好的耐磨性、機械性能、熱傳導(dǎo)性、良好的加工性能等。本文采用的材料基本參數(shù)如表3.2所示：表3.2材料的基本參數(shù)2.2.2結(jié)構(gòu)強度分析的基本概念1） 一點應(yīng)力狀態(tài)彈性力學(xué)基本公式被用來描述均勻、連續(xù)、各向同性彈性體的位移、應(yīng)變、應(yīng)力之間的互相關(guān)系以及它們與外負(fù)荷之間的關(guān)系，因此是零件強度計算的主要依據(jù)。彈性體內(nèi)任一點的應(yīng)力狀態(tài)可以用九個應(yīng)力分量來描述，如圖3.2所示.其中分別表示在直角坐標(biāo)系上x，y，z三個方向的正應(yīng)力;表示剪應(yīng)力，其中第一個腳標(biāo)表示剪應(yīng)力作用截面的法線方向，第二個腳標(biāo)表示剪應(yīng)力的指向。根據(jù)剪應(yīng)力互等定理，可以得出：。所以，九個應(yīng)力分量中，只有六個是不同的。應(yīng)力的正負(fù)號，通常按下列規(guī)則確定的:正應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)。剪應(yīng)力，若其作用截面的外法線與某一坐標(biāo)軸方向相同，其應(yīng)力就以沿坐標(biāo)軸的正方向為正，沿坐標(biāo)袖的負(fù)方向為負(fù);對于外法線與某一坐標(biāo)軸方向相反的截面，其剪應(yīng)力就以沿坐標(biāo)軸負(fù)方向為正，沿坐標(biāo)軸的正向為負(fù)。圖3.2九個應(yīng)力分量示意圖六個應(yīng)力分量，可以用列陣表示，即（式3.1）2） 應(yīng)變一位移方程在給定負(fù)荷與溫度分布的情況下，彈性體沿著x、y、z方向的變形，可以分別用u、v、w三個位移分量表示，它們通常是坐標(biāo)x、y、z的函數(shù)。在小變形的情況下，應(yīng)變一位移的關(guān)系是線性的。描述任一點的應(yīng)變狀態(tài)可以用九個應(yīng)變分量表示，即三個正應(yīng)變和六個剪應(yīng)變它們分別是：（式3.2）式中表示正應(yīng)變;表示剪應(yīng)變。3）應(yīng)力應(yīng)變方程彈性體材料在滿足各向同性、均勻、連續(xù)、完全彈性的前提下，應(yīng)力一應(yīng)變應(yīng)符合廣義胡克定律，即（式3.3）式中，E為材料的彈性模量，G為切變彈性模量，為泊松比。它們滿足式（式3.4）4）虛位移原理虛位移是指在約束條件允許的范圍內(nèi)彈性體可能發(fā)生的任意微小位移。它的發(fā)生與時間無關(guān)，與彈性體所受的外載無關(guān)。彈性體在平衡狀態(tài)下發(fā)生虛位移時，外力要做虛功，大小為式（3.5）式中，為虛功；為虛位移；｛R｝為外力。在發(fā)生虛位移的過程中，彈性體內(nèi)將產(chǎn)生虛應(yīng)變。應(yīng)力在虛應(yīng)變做的虛功是儲存在彈性體內(nèi)的虛應(yīng)變能，若用表示虛應(yīng)變能，則式（3.6）式中V表示彈性體的體積。虛位移原理又稱虛功原理，可敘述為：如果在虛位移發(fā)生之前彈性體是平衡的，那么在虛位移發(fā)生時，外力在虛位移上所做的功就等于彈性體的虛應(yīng)變能，即式（3.7）2.2.3活塞組的受力模型1）活塞受力分析活塞裙部在氣缸內(nèi)起著導(dǎo)向、承受側(cè)推力和傳熱等作用。當(dāng)發(fā)動機工作時，燃燒室氣體壓力推動活塞沿缸套軸線方向往復(fù)運動，在活塞裙部和缸套間形成潤滑油膜，對活塞裙部產(chǎn)生法向壓力。另外，還有活塞運動產(chǎn)生的慣性力和連桿對活塞的作用力等。由于活塞組件受力大且分布不均勻，因而變形問題十分突出。即使活塞與缸套之間的冷配缸間隙大小合適，在工作時活塞一缸套系統(tǒng)所產(chǎn)生的變形也會導(dǎo)致實際配缸間隙出現(xiàn)改變，從而引起活塞潤滑特性變化。若變形后實際配缸間隙過小會使活塞產(chǎn)生擦傷，如果預(yù)留間隙過大則可能發(fā)生“敲缸”，所以研究活塞變形問題對改善活塞系統(tǒng)的性能具有重要意義。對活塞的變形進行分析，首先應(yīng)確定作用在活塞上的各種力，如圖3.3所示。在這些力中FG是由燃燒室中氣體壓力所產(chǎn)生的作用在活塞頂部的燃?xì)鈮毫?；F是由流體動壓行為和表面微凸峰接觸引起的作用在活塞主次推力邊上的法向壓力，M為F作用在活塞銷中心線上的力矩；Ff是由流體動壓行為和表面微凸峰接觸引起的作用在活塞主次推力邊上的摩擦力，Mf為Ff作用在活塞銷中心線上的力矩；和分別為活塞往復(fù)運動引起的活塞慣性力和銷慣性力，和分別為活塞二階運動引起的活塞慣性力、慣性力矩和銷慣性力；為連桿作用在活塞上的力，其方向始終沿連桿長度方向。圖3.3作用在活塞上的力和力矩圖3.4活塞受力示意圖雖然活塞受各種力和力矩的綜合作用，但是，真正影響活塞力變形的主要有：燃燒室中氣體壓力FG、活塞往復(fù)慣性力、法向壓力F和連桿作用在活塞銷座上的力四種，其它的各種力和力矩對活塞的變形和應(yīng)力影響很小，可忽略不計。2） 燃燒室氣體壓力的確定發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)角a為370°時，由平面幾何關(guān)系計算得到連桿軸線偏離氣缸軸線的角度B為1.12。，即連桿傳給活塞的力偏離氣缸軸線1.12°，此時活塞頂部的氣體壓力達到最大。汽油機活塞在做功行程中，承受最高壓力可達3-5Mpa，最高轉(zhuǎn)速可達4000-6000r/min。在這里取最惡劣的條件，最大爆發(fā)壓力為5Mpa。3） 活塞慣性加速度的確定活塞運動到上下止點時運動方向改變，此時活塞往復(fù)運動速度為零，加速度則達到最大值，慣性力也最大；在行程中部附近，活塞運動速度最大，加速度為零，慣性力也等于零。對于以恒定角速度3旋轉(zhuǎn)著的曲軸，活塞沿軸線方向的位移、速度及加速度可采用下述式子表示：圖3.5正置曲柄連桿機構(gòu)運動分析簡圖活塞的位移活塞的位移x由其上止點開始測量，由圖3.5可得：（式3.8）其中R為曲柄半徑，L為連桿長度，為曲柄轉(zhuǎn)角，（式3.9）式3.7就是往復(fù)活塞式發(fā)動機活塞位移的精確計算表達式，當(dāng)用計算機進行計算時，可以直接用此式。但手工計算時，需將此式適當(dāng)簡化?？梢缘玫酵鶑?fù)活塞式發(fā)動機活塞位移的近似計算表達式如下：（式3.10）活塞的速度將活塞的位移公式3.9進行微分，便可求得活塞運動速度的近似值，為：（式3.11）活塞的加速度再對活塞的速度公式3.10求導(dǎo)，便可得活塞運動加速度的近似值，為：（式3.12）帶入相關(guān)數(shù)據(jù)可得加速度a=24045m/。4） 活塞的側(cè)推力在最大爆發(fā)壓力作用的工況下，活塞主要受燃?xì)鈮毫?，往?fù)慣性力和活塞銷座的支反力作用，方向都是沿著活塞的軸線的方向。此時活塞正處于上止點附近，裙部所受的側(cè)向壓力值很小，且沿著與活塞軸垂直的方向，對合力的影響不大，做應(yīng)力分析時可以忽略不計。5） 活塞組機械載荷的施加活塞頂部和環(huán)岸區(qū)的燃?xì)獗l(fā)壓力按均布載荷處理?；钊敳浚鹆Π逗偷谝画h(huán)槽上下面按照頂部氣體壓力的100%來施加，第一道環(huán)槽底按照頂部氣體壓力的76%來施加，第一環(huán)岸和第二道環(huán)槽上下面按照頂部氣體壓力的25%來施加，第二道環(huán)槽底按照頂部氣體壓力的20%來施加，第二道環(huán)槽以下的燃?xì)鈮毫ψ饔眯Ч苄?，予以忽略不計。如圖3.6所示。根據(jù)動力學(xué)計算結(jié)果，活塞所受的往復(fù)慣性力方向向上，與活塞運動加速度方向相反，如圖3.6所示。圖3.6燃?xì)鈮毫蛻T性力的分布2.2.4活塞組邊界條件的確定為了使活塞不產(chǎn)生剛體位移，必須給出合適的位移約束。通常用一些具有簡單分布規(guī)律的力和位移作為邊界條件，當(dāng)邊界條件比較復(fù)雜時，位移約束條件難確定，一些簡單的假設(shè)往往會帶來較大誤差。一般位移邊界條件：（1）預(yù)定邊界位移為零（2）某一節(jié)點位移為己知量。如：對某一節(jié)點位移為己知值。根據(jù)上面的理論，本研究采用下面的方法來確定活塞的位移邊界條件：約束模型對稱面上的每個節(jié)點，在該平面內(nèi)的法向位移均為0；約束活塞銷端面的各個約束，位移均為0?；钊M的載荷約束條件如下圖3.7圖3.7活塞組的加載情況2.2.5活塞組有限元模型為了獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果，應(yīng)合理確定有限元劃分方案，這樣既保證計算精度，又不會耗時過多。在確定劃分方案之前，有必要進行一些測試，以選擇合適的計算網(wǎng)格，如果局部結(jié)果偏差較大，則進行局部修正，研究采用的網(wǎng)格劃分方案如圖3.8所示?；钊灿昧?0216個10節(jié)點四面體單元來描述，單元類型為solid187；銷共用了1520個20節(jié)點六面體單元來描述，單元類型solid95；接觸對單元855個，單元類型為targe170和conta174；單元總數(shù)為22591，節(jié)點總數(shù)為42915個。綜合考慮單元數(shù)和計算時間兩方面因素，本文活塞采用采用自由網(wǎng)格劃分，對受力較大的燃燒室，活塞環(huán)岸，及銷孔處進行細(xì)化；銷采用了掃描劃分，得到了較好的效果。實踐證明，本文活塞網(wǎng)格剖分的單元數(shù)和節(jié)點數(shù)既能滿足工程精度要求，又不會耗費較多計算器時間?；钊邢拊Ｐ腿鐖D3.8所示。圖3.8活塞組的有限元模型第3章活塞組應(yīng)力及變形的研究3.1活塞組在機械載荷下的變形研究本文研究單個活塞在膨脹沖程和作功沖程下其變形情況，主要分析了活塞在各種機械載荷作用下的變形。活塞組整體變形與變形前比較如下圖4.1：圖3.1活塞整體變形比較圖活塞組的總體變形圖如下4.2：圖3.2活塞組總體變形圖由兩圖可知活塞頂部和裙部均發(fā)生很不均勻的變形，作用在頂部的載荷起到主要作用，因活塞頂部受到的壓縮作用使得變形較大且集中，由于力的傳遞也使裙部和活塞銷部位出現(xiàn)變形。最大變形出現(xiàn)在活塞頂部，和裙部，達0.319467mm，活塞銷孔處最大變形出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)上端邊緣，最大為0.141985mm。3.2活塞組在機械載荷作用下應(yīng)力分析活塞組在軸線方向的應(yīng)力分布如下圖4.3：圖3.3活塞組軸向應(yīng)力分布圖活塞組的等效應(yīng)力分布如圖3.4：圖3.4活塞組的等效應(yīng)力分布圖由兩圖可知銷孔內(nèi)側(cè)邊緣處有應(yīng)力集中最大為127Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷截面的邊緣，最大為190.596Mpa，由于本文主要分析活塞的應(yīng)力分部，及銷孔處的應(yīng)力，這在此不考慮。第4章 活塞銷孔結(jié)構(gòu)改進后的有限元分析上文提到，由于發(fā)動機燃燒時的爆發(fā)壓力很大，活塞銷孔處應(yīng)力很高，為了降低銷孔表面應(yīng)力峰值，活塞銷孔要做結(jié)構(gòu)改進設(shè)計，從而提高銷孔的承載能力。本文選用鑄鋁青銅材料，鑲嵌于活塞銷孔內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)形式。4.1襯套的材料及幾何模型的確定活塞襯套的材料如下表4.1：表4.1襯套的材料性能針對本文所分析的活塞銷孔結(jié)構(gòu)，設(shè)計出銷孔襯套。如圖4.1（a）襯套實體圖，（b）襯套結(jié)構(gòu)示意圖：半徑為18mm，襯套厚度為1.5mm，長度為24.75mm。圖4.1（a）襯套的三維實體圖 圖4.1（b）襯套結(jié)構(gòu)示意圖4.2活塞組有限元模型的建立在這里活塞仍采用自由網(wǎng)格劃分，選用solid187單元，并對對受力較大的燃燒室，活塞環(huán)岸，及銷孔處進行細(xì)化進行了網(wǎng)格細(xì)化；銷和襯套采用solid95單元，銷用掃描方法進行網(wǎng)格劃分，襯套用自由網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如下圖4.2圖4.2活塞組的有限元模型4.3活塞組的機械載荷及邊界條件的確定改進后的活塞組所收的工作情況和改進前一樣，故所收的機械載荷與邊界條件不變。但襯套與銷孔之間應(yīng)建立一個過盈配合的接觸對，以模擬實際的工作情況。4.4活塞組機械載荷下變形的分析活塞組的整體變形與變形前相比如圖4.3：圖4.3改進后活塞組整體變形比較圖活塞組的整體變形如圖4.4：圖4.4該進后的活塞組整體變形分布圖活塞的最大變形仍出現(xiàn)在活塞頂部，及裙部，最大變形為0.266161mm，同改進前有一定的下降；銷孔內(nèi)側(cè)上端仍有較大的變形，但分布較均勻，最大變形0.08872mm，同改進前也有所降低。變形基本關(guān)于對稱面對稱，從上到下有一定的梯度。4.5活塞組機械載荷下的應(yīng)力分析在機械載荷下，活塞在軸線方向的應(yīng)力分布如圖4.5：圖4.5改進后的活塞組軸向應(yīng)力分布圖活塞組的等效應(yīng)力分布如圖4.6：圖4.6改進后的活塞組的等效應(yīng)力分布圖從圖中可知活塞組的應(yīng)力依然很大，但是同改進前的結(jié)構(gòu)相比，襯套上的應(yīng)力及集中比較明顯，銷孔處的最大應(yīng)力為64.698Mpa，有所降低，而且銷孔處的應(yīng)力分布趨向均勻。結(jié)論本文以汽油發(fā)動機為模型，結(jié)合有限元知識，用PRO/E和ANSYS工具對模型進行了分析，并通過在活塞銷孔內(nèi)嵌套襯套的方法該進模型，，最后做了對比分析。得到了如下結(jié)論：（1）針對本文所研究的活塞，通過分析原活塞的機械應(yīng)力云圖與變形云圖，得出活塞與活塞銷接觸的銷孔內(nèi)側(cè)上緣出現(xiàn)了較大應(yīng)力，最大應(yīng)力值為127Mpa，銷孔部位變形值為0.141985mm;采用銷孔內(nèi)嵌入鑄鋁青銅襯套活塞，分析得出銷孔內(nèi)側(cè)上緣的最大應(yīng)力值為64.698MPa，變形值為0.08872mm。這些數(shù)據(jù)充分說明采用加入銷孔襯套的活塞可以使銷孔表面的應(yīng)力趨向均勻，變形量減小。（2） 本文提出活塞銷孔內(nèi)嵌入襯套結(jié)構(gòu)方案，通過有限元計算，在機械載荷的用下，整個活塞能夠滿足強度以及變形的要求，活塞銷孔襯套各個部位的應(yīng)力大小均勻，整個銷孔內(nèi)側(cè)單位面積上應(yīng)力峰值降低，其能夠承受的最大應(yīng)力要明顯優(yōu)于原活塞銷結(jié)構(gòu)。（3） 活塞銷孔處的失效模式往往是熱負(fù)荷、機械負(fù)荷共同作用的結(jié)果，要分析設(shè)計出合理的、可靠的活塞銷孔結(jié)構(gòu)，這兩方面的因素要綜合考慮。作者在翻閱資料的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)提高活塞銷孔的載荷能力，可