5。6 活塞顶稳态热应力分析及总形变结果 29

结语 31

致谢 32

参考文献 33

第一章 绪论

1。1 活塞三维设计及有限元分析的背景与意义

活塞是内燃机中的重要部件，它的工作条件极其恶劣，长期承受着高温，高机械 负荷的条件。由于经常承受周期性的交变机械负荷和热负荷，活塞发生故障的可能性 大大增加。对于设计活塞的工作人员来说，需要进行精确的计算和实验。柴油机的寿 命、可靠性、经济性，将取决于活塞结构的设计。随着计算机辅助设计的发展，在活 塞设计和校核中都可以采用有限元分析的方法。数值仿真技术因其直观可靠，已经成 为在活塞设计和校核中常用的方法，并可以节约大量因搭建实验的资金，缩短活塞研 发周期。

由于目前柴油机的性能越来越高，向着高燃烧压力和高比功率发展，活塞承受的 最高燃烧压力 Pz 有的已经达到了 23MPa，有的活塞的比功率高达 0。7 kW/c ，这导 致活塞材料头部比较经受住燃气的高温与高压。

在热负荷方面，活塞头局部产生的很高的温度将导致活塞局部烧蚀，影响活塞的 材料，从而导致热疲劳破坏，比较常见的破坏是活塞顶面烧坏产生裂纹、局部金属有 融化的现象。如果活塞在工作中的温度场分布很不均匀，将导致活塞的变形不均，增 加了活塞内部的热应力。尤其在一些倒角等曲率很大的地方，将产生过高的热应力集 中，损坏活塞结构，造成拉缸等严重事故。

在机械负荷方面，活塞头部受到缸内燃气压力的直接作用，产生的压力传递至活 塞裙部。活塞裙部通过活塞销将力作用于连杆小头。整个活塞结构中的机械应力将导 致活塞产生变形，一般在销座孔内缘产生应力最大值。采用三维模拟软件能很直观地 发现应力较大的区域，为设计人员提供了很好的参照和建议。

可以看到，内燃机活塞的热负荷和机械负荷问题是一个比较综合全面的问题。它 受到许多因素的影响，如发动机的工作指标、活塞的冷却形式、润滑的状态、设计保 养等有关。因此，活塞的设计手段目前有了较大的发展。除了传统的搭建实验台来测 试活塞设计的合理性外，还有以计算机建模软件为依托的辅助设计。目前，以三维有 限元分析软件运用到活塞设计方面是大的发展趋势。因为软件模拟的精确度已经很高， 完全适合设计计算，并且以数值模拟的方法将节省大量的研究资金。在验证设计的合 理性方面，能过节省大量的实验时间，缩短研制周期。

1。2 活塞建模及有限元分析的发展。

近年来，活塞的设计手段和理念不断更新，CAE 分析已经成为活塞开发的必要 手段。在上个世纪 80 年代，KS 公司就应用二维有限元技术来预测活塞的温度、应力 及变形，作为活塞设计的指导手段。现在，对活塞组件的三维有限元分析，已经成为 开发新活塞的基本手段。

(1) 有限元活塞模型有向三维非对称模型方向发展。 以前，受到研究工具的限制，设计开发人员大大简化了活塞模型，都是在二维基

础上进行计算。二维计算模型简单方便，计算速度很快，不需要计算机有很好的性能。 但是，简化为二维轴对称的模型计算精度低，对活塞一些细节部分没办法做到精度很 高的模拟。比如销座的受力情况就无法分析。也无法计算出热流密度、热量的传导形 式和分布、热应力的具体分布和变形的程度。这种计算模型与实践的情况有很大的差 别，无法精确计算出活塞的受热应力和热变形的情况，这限制了有限元分析的使用。