第二章 理论基础及软件平台

2。1 活塞热分析原理

活塞在工作中，由于受到高温燃气的直接作用，活塞会受到加热作用。活塞热稳 态分析是指高温燃气的热量通过活塞顶面与火力岸传递给活塞，然后热量通过活塞环、 裙部、冷却内腔传递至外界的平衡过程。其中活塞环区域的热量通过环与气缸壁的接 触面传导至水套，裙部的热量也传递至气缸壁。根据前人的研究，活塞冷却内外腔将 通过滑油带走绝大部分的热量。活塞自身不能发热，因此是个无内热源问题的稳态热 分析。

2。2 热分析的有限元原理

2。2。1 傅里叶定律

傅里叶定律[4]：单位时间内通过单位截面积所传导的热量，正比于当地垂直于截 面方向上的温度变化率。即：

Q=-λ  F grad t （2。1）

对单位面积： q = -λ  grad t （2。2）

其中：Q—热量 w ； -导热系数 w/m0C ；grad t-温度梯度 0C/m

2。2。2 有限元分析方法简介

在工程及科学计算中，很多问题都可以归纳于求解问题。数值法求解是目前求解 问题的主要方法。有限元分析法实际上是一种数值求解的方法，这种方法理论上只有 计算机硬件足够强大，便能计算出各种具有复杂几何形状的问题的数值解。

“有限元”这个词由美国的 Clough 在 1960 年第一次提出。经过了 50 多年的发展， 已经成为各个领域的基本计算方法。分析的对象涉及流体、固体、复合材料、电工电 子等方面。它的思想可以概括为：

在做有限元分析时，首先它将一个连续的系统离散化。一个模型在进行有限元分 析时，首先要划分网格。划分网格的实质就是将一个整体的系统，划分为离散的有限 个单元组成的模型，这就是“有限元”这个词的意思。离散的单元通过结点连接起来，

通过求解各个单元，就能得出整个系统的解。一般来说，网格划分得越细，计算出的 结果精确性也就越高。对于像倒角、凸起等特征，需要足够细的网格划分才能精确计 算出这些特征的解。有限元方法其特点在于：利用离散一个整体系统，将它划分为有 限个离散个体，由众多的个体以一定方式联接在一起。

2。2。3 有限元软件介绍

本次课题所使用的有限元分析软件为:ANYSY workbench 15。0。ANYSY 软件是目 前进行有限元分析的主流软件。在 Workbench 中，自带有几何模型处理软件，能在用 户导入模型后，适当修改就能划分网格。主要是用于热分析和结果分析，以及对求解 的结果处理等。求解的过程一般为：前处理、定义材料、划分网格、施加边界条件、 求解以及后处理。

第三章 活塞的三维设计

3。1 活塞裙的三维设计

活塞裙是整个活塞组件中最大，最复杂的部件。活塞裙各个尺寸参数严格按照图 纸来画。

首先，打开 UG 软件，新建一个模型部件。点击“新建”→“模型”→“确定” 进入创作界面。论文网

建模软件在建立三维模型时，通常需要一个草图特征，画这个草图需要注意它应 该是封闭的线。然后对画好的草图通过拉伸、旋转等方式，创建出一个实体模型。因 此，我们首先进行草图绘制。点击“草图”，然后用鼠标选择要绘制草图的平面，进 入草图绘制模式。

然后绘制如图 3-1 所示的草图，点击“草图完成”选项。

图 3-1：活塞裙草图

然后点击旋转对这个草图进行旋转，得到如图 3-2 的结构。