基于ANSYS的柴油机活塞结构强度与温度场研究

摘要

对柴油机关键部件活塞的要求随着现代社会的不断发展而对结构强度及耐久性要求越来越高，借助FEA方法即有限元分析法分析柴油机的活塞，分析其温度、热应力的变化情况，对提高活塞结构设计的理论水平、确保最佳的使用效果具有非凡的意义。本文选择的研究对象为某车型的柴油机活塞，通过建立活塞数据模型借助有限元分析方法，深入分析该活塞的温度场和应力场的情况，为柴油机活塞的研究提供了一定的指导意义。
　　文章首先建立了活塞的三维有限元计算模型，介绍了建立过程以及相关的重要参数与稳态分析和动态分析所需的边界条件。在温度场方面，有限元分析计算得到了耦合系统稳态温度场结果，结果表明柴油机活塞的温度最高为295℃，最低为91.5℃，分别在燃烧室凸台边缘以及底部探测到，且发现一个明显的规律是其项部温度高于裙部而侧边温度从底部到顶部慢慢上升。与已有文献的分析结果对比本文可知仿真结果可以比较合理真实地反映柴油机活塞的稳定工作状态，表明所建的有限元模型可靠，分析结果可信。
　　得到温度场结果后，再进一步研究了热应力场变化情况。为了得出瞬态机械应力，首先将机械载荷加载上去，其中机械载荷应当是周期性的。瞬态耦合应力就是将瞬时热应力与瞬态机械应力糅合在一起进行分析。利用建立的模型分析了应力变化情况和变形的时变曲线图，应力变化情况指研究应力集中部位，以及力度、幅值等多个变量，而且不同位置对应力的影响也进行了仔细考虑。根据结果显示，应力较大的地方出现在温度梯度也比较大的位置，而且燃气爆发压力对机械应力的影响最为明显，但耦合应力的来源表现出了随时间和位置变化的规律。不过需要指出的是，耦合应力最大的时刻是燃气爆发的压力时刻。
　　结果证明了使用瞬态分析法对于活塞工作循环的动态特性的分析是一种更好的途径，因为它能更真实地反应活塞工作状态和特性。本文的结果可以为活塞热分析和应力分析等可靠性设计提供理论支撑。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 活塞热与强度分析背景与意义

1．2 有限元分析发展及应用概况

1．3 柴油机活塞有限元分析研究进展

1．3．1 柴油机活塞的热负荷

1．3．2 柴油机活塞国内外研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 柴油机活塞有限元分析理论基础

2．1 柴油机活塞及其结构简介

2．2 有限元分析方法概述

2．2．1 有限元分析基本原理及操作流程

2．2．2 有限元分析优势与劣势

2．3 ANSYS软件简介

2．4 柴油机活塞有限元热分析理论基础

2．4．1 热分析的基本概念

2．4．2 热分析稳态温度场理论

2．4．3 热分析的边界条件

2．4．4 温度场有限元分析及离散化处理

2．5 柴油机活塞结构强度有限元分析理论基础

2．5．1 强度分析控制方程

2．5．2 强度分析边界条件及求解

2．6 本章小结

第三章 柴油机活塞有限元温度场分析

3．1 柴油机活塞热负荷分析

3．2 柴油机活塞温度场分析边界条件

3．2．1 活塞项部换热系数和燃气平均温度

3．2．2 火力岸区、活塞环区及裙部换热系数

3．2．3 内腔换热系数

3．2．4 冷却油腔换热系数

3．3 柴油机活塞温度场模型建立

3．3．1 实体模型建立

3．3．2 ANSYS模型建立

3．4 柴油机活塞稳态温度场分析

3．4．1 稳态温度场分析概述

3．4．2 稳态温度场结果分析

3．5 稳态温度场与实验结果对比分析

3．6 本章小结

第四章 柴油机活塞有限元结构强度分析

4．1 柴油机活塞受力理论分析

4．2 柴油机活塞热应力分析

4．2．1 活塞热应力分析边界条件

4．2．2 柴油机活塞热应力分析

4．3 柴油机活塞机械应力有限元分析

4．4 柴油机活塞耦合应力分析

4．5 本章小结

第五章 研究总结与展望

5．1 研究总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢