随着电脑技术的发展，计算模型也从二维向三维转变。三维模型比二维有巨大的 优点，能够精确地体现出活塞实际的工作情况。结果也更直观，能够准确输出计算的 结果。对于对称性的模型，比如活塞，可以只计算四分之一个活塞模型就能体现出温 度和应力分布。如文献[1-2]都只建立了四分之一个活塞模型。但活塞中的偏置燃烧 室、油孔、冷却油内腔等特征，使用对称模型将产生极大的误差。

(2)在传热计算方面，有着稳态传热分析向瞬态传热分析发展的趋势。 以前，在活塞的导热分析中，因其稳态传热分析操作简单，边界条件通常采用第

三类边界条件计算，因此受到很多研究人员的青睐。但活塞实际的工作条件是迅速变 化的，活塞受到周期性的机械负荷和温度波动。与稳态传热分析相比，瞬态传热分析 具有更高的精度。瞬态传热分析更符合活塞的实际的工作，是科研人员进行活塞设计 时的重要手段。通过耦合瞬态传热分析的温度场，可以模拟一个循环内活塞组、润滑 油膜、缸套的温度分布情况，预测活塞组、缸套等受热部件的温度波动[1]。但瞬态传 热分析比稳态传热分析更加复杂，由于采用了迭代算法，因此需要很高的计算机硬件 资源。在每个循环中，要求计算机能随着时间的变化，划分出新的网格，并完成计算。 而且，瞬态传热分析的中间过程很难得到实验的认证，因为瞬态传热分析随时间的变 化不断产生的中间值，无法用实验来验证。但由于瞬态传热分析的先天优势，让更多 的研究人员去学习它。

（3）求解方法由单体模型分析向多体模型接触分析发展 很久以来，采用有限元分析法分析活塞模型都是单个个体。大多数研究学者在进

行活塞模型分析时，将组合活塞简化为一个整体式活塞，这种方法在中速大功率柴油 机中广泛使用。这种简化方法忽略了活塞头部与裙部之间的接触热阻、螺栓的导热情 况、定位销等部件。这导致计算的结果与实际值有偏差，最重要的是它不能反映出活 塞零部件之间的受力情况。而活塞零部件之间的相互作用，是考量活塞头部与裙部匹 配是否合理的重要标准。随着有限元接触算法的发展，多体接触模型将活塞中的零部 件按照装配形式来考虑。这样的计算结果更加符合实际和精确。

1。3 本课题研究内容

本文以 PA6 钢顶铝裙组合活塞为研究对象，依据导师提供的图纸建立精确三维模 型，建立好三维模型后，将重点对活塞顶进行温度场分析。通过建模软件对其精确建 模，将建立好的活塞顶模型进行适当简化后，导入有限元分析软件中进行有限元分析。 分析在实际额定工况中，活塞顶部的温度场及其热应力。对活塞顶模型进行了网格划 分，局部区域细化了网格，建立稳态热分析边界条件，分析了温度分布及热应力。具 体工作内容如下：

（1）根据图纸，利用 UG10。0 软件，对 PA6/280 某型中速柴油机活塞建立精确三 维模型，模型各个参数实现了全约束。由于该活塞是组合活塞结构，因此对活塞顶、 活塞裙、活塞环、连接螺栓、螺母、隔套进行了分别建模，然后装配成一体。根据计 算需要，在保证精度的前提下，对活塞顶部进行了简化，去掉了一些局部特征，以便 能成功导入有限元分析软件并能提高计算速度。

（2）将活塞顶模型导入至 ANSYS workbench 15。0 软件中，设置好了材料数据， 并进行了网格划分。建立了活塞稳态热分析中的温度分析的热边界条件，运行求解得 出温度场。有了温度场，以温度场为数据，进行了活塞热应力分析。