1活塞有限元模型的建立

利用有限元数值模拟分析方法求解问题时，第一步也是关键一步就是有限元模型的建立。在整个有限元求解分析过程中，建立有限元模型的工作量往往比较重大。而且建立的有限元模型是否合理对有限元分析结果的精确度有着不小的影响。因此，要足够重视有限元模型的建立。建立本课题研究的内燃机活塞的有限元模型的方法主要有以下三种：83965

（1）单件对称模型建立：在对活塞的早期研究时，研究人员为了建模方便节省时间，多将内燃机活塞当作

对称零件进行简化，将通过活塞轴线和销座孔中心线平面或是通过轴线和垂直于销座孔中心线平面视为对称，忽略活塞椭圆度，所以建立1/2或1/4活塞模型导入ANSYS软件进行网格划分和有限元模拟分析，这种建立对称模型的方法，不仅可以得到比较真实可靠的研究结果，而且可以节省大量的建模时间和CPU处理运行的时间，高效真实。例如张卫正，薛剑青等建立1/4活塞模型进行活塞结构设计的研究，讨论了内燃机高升功率对于活塞的热应力以及机械应力的影响并对活塞新的设计理念进行三维接触问题的有限元模拟分析计算取得了不错的效果[7]。何秉初、毛明志等基于弹性理论和传热学理论基础，通过一种三维有限元模拟分析温度场和应力场计算的程序,并且考虑到分隔式活塞燃烧室的温度场分布的不对称性选用了1/2活塞模型进行活塞强度分析模拟计算。比较全面地反映了活塞的结构特点和工作特点。取得了一定的成效，所得结论也真实可靠[8]。

（2）单件非对称模型建立：

对于具有冷却腔以及预燃烧室偏置的活塞来说，活塞就不具备对称性，也就不能采取单件对称模型。因此为了更好的模拟活塞的实际运行状况，得出更加真实可靠的结果，佟景伟等建立整体的活塞模型对具有ω型燃烧室的内燃机活塞进行温度场和应力场共同作用下的活塞应力和变形的三维有限元模拟分析，也取得了不错的效果[9]。

（3）活塞组的耦合模型建立：无论是单件对称模型的建模方法还是单件非对称模型的建模方法都没有考虑到

活塞与其他活塞零部件之间的相互影响作用，这就导致模拟分析的计算结果与实际情况存在一定的误差。所以采用对活塞、活塞环、气缸套和活塞销等内燃机活塞整体的耦合模型进行研究。在国外，现在习惯上运用计算流体动力学软件CFD和有限元模拟分析软件FEA通过耦合的办法对内燃机活塞组部件进行传热分析研究。并且利用计算流体动力学CFD进行求解计算得出活塞燃烧室顶面工质的温度T0和换热系数α0以及缸套冷却水的温度T1和换热系数α1,并把以上数据作为有限元模拟分析软件FEA的热边界条件进行活塞的传热计算。例如芬兰理工大学JukkaTiainen，HariKallio，AnttiLeino等人对柴油机的进排气过程进行了研究,利用计算流体动力学CFD软件模拟演化缸内实际工作过程,进而得出活塞燃烧室顶面工质的热边界条件以及温度场分布,并把计算得道的热边界条件数值输进到有限元模拟分析软件FEA中,通过流体与固体的耦合模拟从而实现内燃机活塞的传热研究,因此对于活塞传热研究计算精度大幅度提高[10]。但是这种方法在国内还没有被广泛运用。大连理工大学冯立岩教授等对6E160内燃机的活塞组进行了有限元耦合模拟分析,得到了活塞组的温度场和应力场以及热变形和应力变形的分布,随后他们还研究了活塞热负荷和机械负荷的藕合分析,得出应力应变分布[11]。太原理工大学动力工程专业的荆碧舟采用间接耦合法,将缸套-活塞组耦合之后的稳态温度场当作活塞强度分析的热边界条件,对活塞热负荷、机械负荷以及热机耦合进行有限元模拟分析，得出活塞的热应力、热应变分布以及机械应力、机械应变的分布[12]。