内燃机零部件有限元计算中边界条件处理的研究

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有限元边界条件处理方法和各自的优缺点

有限元边界条件处理方法和各自的优缺点
有限元边界条件处理方法主要有以下几种：
直接法。

直接在有限元方程中引入边界条件，需要增加未知量，增加方程求解规模。

消去法。

通过引入新的变量和方程，将边界条件消去，需要增加计算量。

罚函数法。

通过在总能量中引入罚函数项，将边界条件转化为求解过程中的约束条件，需要调整罚函数参数。

这几种方法的优缺点如下：
直接法：优点是简单直观，易于实现；缺点是需要增加未知量，增加方程求解规模。

消去法：优点是无需增加未知量；缺点是需要增加计算量，且对于复杂问题可能难以实现。

罚函数法：优点是无需增加未知量；缺点是需要调整罚函数参数，且对于某些问题可能不适用。

基于有限元分析的S195活塞的改进设计

基于有限元方法的S195柴油机活塞设计[摘要] 本文针对将S195型柴油机的涡流室燃烧室改为直喷式燃烧室,对活塞的结构进行了改进设计。

对改进后的发动机进行了热力计算和动力计算，将计算所求得的最高爆发压力和对应的加速度所产生的惯性力作为活塞最危险工作情况，利用有限元分析软件ANSYS对其进行机械应力分析，得出活塞应力云图和变形云图，根据分析结果，活塞的最大应力和最大位移并没有超出允许范围,本设计满足了改进后发动机的实际工况。

[关键词] 活塞；ANSYS；内燃机The Design of Piston in S195 Diesel Engine Based on Finite ElementMethodAbstract To satify the new condition of swirl chamber being changed into direct injection combustion chamber and improve the fuel economy , the structure of piston in S195 Diesel Engine was redesigned. The thermodynamic and power calculation were done .The combustion chanber and piston ring etc were changed to adjust to the direct injection diesel engine. The maximum outbreak pressure obtained by calculation and the inertial force generated by the corresponding piston acceleration were recognized as the most dangerous working conditions, using ANSYS finite element analysis software for mechanical stress analysis , the piston stress and deformation cloud were obtained . According to the result of the analysis,the maximum stress and maximum displacement of the piston does not exceed the permissible range, the design can meet the actual engine operating conditions.Key words Piston ; ANSYS ; Internal Combustion Engine.目录引言 (1)1.直喷式S195柴油机热力计算和动力计算 (1)1.1 热力计算 (2)1.1.1 原始参数及己知条件 (2)1.1.2 选定参数 (3)1.1.3 气缸工作过程计算 (3)1.1.4 示功图绘制 (6)1.2 动力计算 (8)2．活塞主要尺寸设计及强度计算 (11)2.1 活塞的工作条件、材料以及设计要求 (11)2.2 主要尺寸设计 (12)2.2.1 燃烧室尺寸 (12)2.2.2 顶岸高度 (13)2.2.3 活塞环 (14)2.2.4 活塞顶厚度 (15)2.2.5 裙部长度 (15)2.2.6 销座设计 (15)2.2.7 活塞强度计算 (16)3. 活塞有限元分析 (18)3．1 三维实体建模 (18)3．2 有限元网格划分 (19)3．3 机械负荷分析 (19)3.3.1 计算工况及载荷确定 (19)3.3.2 载荷施加过程 (20)3.3.3 有限元分析结果 (23)结束语 (26)致谢 (27)参考文献 (28)引言柴油机广泛应用于现代农业，是现代农业生产所必需的动力机械，涉及农、林、牧、副、渔各部门及其产前、产中、产后各作业环节。

有限元法在内燃机上的应用

简单例子刚度的概念弹簧振子：刚度系数 2个弹簧振子刚度矩阵[k]：矩阵中的元素：刚度系数刚度系数-----柔度系数
柔度矩阵
如图弹性体各点作用广义力F1、F2 …Fn，各点位移为定义柔度系数为在 j点作用的单位力时在 i产生的位移，则力在i点产生的位移为，所有力在i产生的总位移则为则所有力在各点产生的位移为：
单元刚元法求拉伸杆的应力、应变和位移将杆离散化为2个单元，单元1长l1和单元2长l2,3个节点，1、2、3。假定节点1、2、3处的节点力为F1、F2和F3，位移为u1、u2和u3，单元1刚度系数k1，单元2为k2。取单元1，有
例子：建立弹簧单元的刚度矩阵用有限元法求拉伸杆的应力、应变和位移将杆离散化为2个单元，单元1和单元2,3个节点，1、2、3。假定节点1、2、3处的力为F1、F2和F3，位移为u1、u2和u3，单元1刚度系数k1，单元2为k2，取单元1，有至此已经得到单元1的单元刚阵
材料力学：对整个截面建立三组方程。梁弯曲截面变形假设弹性力学：对任意点建立三组平衡方程。
弹性体的基本假设和变量
5个基本假设 3组变量：位移、应力、应变
各种应力名称
任意截面的正应力、剪应力、主应力（第1、2、3主应力）最大拉应力、最大剪应力、米塞斯应力、最大主应力、弯曲应力、扭转应力、拉压应力 x、y、z方向应力切向应力和法向应力平面应力和平面应变
弹力三组方程：方程数=变量数
变量3个正应力+3个剪应力+3个位移+6个应变=15个变量
目前有3个几何方程+6个几何方程+6个物理方程=15个方程
但只能得到一组通解，必须有边界条件才能有唯一特解
两类边界条件
力边界条件位移边界条件用圣维南原理简化内燃机边界条件：曲轴、连杆、活塞的接触边界

有限元分析方法在内燃机活塞研究中的应用

温度场分稳定温度场和不稳定温度场, 对于工程设计人员来说, 了解活塞温度场的分布是非常重要的。内燃机活塞在运行中可近似认为处于稳定工况下, 除接近活塞表面极薄的一层外, 均可认为温度分布与时间无关, 因此可近似把活塞的温度分布当成稳定温度场。
活塞的温度可以通过试验测试和计算求得。如果采用试验测试活塞的温度, 由于测点布置有限, 试验难度大, 而且只能测得活塞表面一些点的温度。如果采用有限元计算方法对活塞进行温度场计算, 则可以总观活塞温度分布的全貌。特别是在内燃机的设计阶段, 还根本谈不上实际测试, 此时针对各种设计方案计算得到的温度场, 则可作为选择设计方案的参考。文献 [ 9 ] 采用易熔合金法测取了 CA 6110 /125Z型柴油机活塞特征点的温度, 并在此基础上用三维有限元法计算了温度场。 3. 2 活塞热应力应变分析
1 活塞有限元网格模型
有限元网格模型的建立是采用有限元分析方法求解问题的先决条件, 在整个求解过程中, 它通常具有最大的工作量。从某种意义上说, 有限元网格模型建立的合理性直接影响计算结果的精度。目前, 内燃机活塞有限元网格模型的生成方式主要有如下三种。 1. 1 取部分活塞建立对称网格模型
严格地说, 活塞的几何形状是不对称的, 但对没有冷却油道的中小功率内燃机活塞的温度场计算来说, 由于活塞实际温度分布在周向的差异较小, 可以忽略, 而且对于这一类型活塞的传热主要靠活塞环, 从活塞销座传走的热量有限, 因此忽略活塞销座对传热的影响所带来的误差不大。 1. 2 取活塞整体建立非对称网格模型
( Kunm ing Universty of Sc ience and Technology, Kunm ing 650224, Ch ina)

机械设计中有限元分析的几个关键问题

Internal Combustion Engine &Parts0引言随着科学技术的发展，人们在机械设计中不断地应用更加精密的设备，在设计的过程中，就需要相关的设计人员能够预测出产品的性能、强度、寿命等，并且正确引入相关技术参数来进行精确的计算。

近些年来，随着我国计算机技术的发展以及数据分析相关技术的发展，为相关的计算提供了有效的方法与手段。

将有限元应用力分析应用到机械体结构上，能够充分计算外部的荷载量，以及所引发的应力应变、强度、耐久度的分析，从而能够有效地提高零件的质量，减少零件材料的成本。

有限元分析的结果与软件、建模等有关，在分析过程中，处理方式不当可能造成结果的差异，所以不能过度迷信有限元软件的结果，需要根据具体的情况具体分析。

1有限元分析的概述有限元分析方法作为一种数据处理分析的方法，是近些年来新引进入我国的一种数据分析的方式，其英文名字为FEM 。

它主要是运用数学的计算方法，模拟出物体真实的几何形状，以及负荷量状况，能够将无限的未知量展示出来，这种复杂的计算方法能比其他的代数方法更加准确[1]。

有限元方法是在计算机技术和数值分析方法的基础上发展起来的。

作为一种有效的手段，有限元分析应用在应力分析等领域中，对于机体机构上的外部荷载引起的应力应变以及耐久性、损伤容限、强度等均可以采用试验的方式进行。

有限元分析的过程会发生结果的差异，这与使用的软件和建模过程有关系，在设计中对于软件结果不能迷信，而是要谨慎对待处理方式不通带来的结果差异。

对于具体问题应根据模型试验验证判断结果而来，方能确定有限元结果正确性。

2有限元分析的注意事项工程人员对于有限元分析的精确度和正确性较为关注。

这是因为有限元结果的正确性关系到工程实际的运行。

凭借问题处理经验和有限元理论分析结果，对于有限元分析的注意问题可以归纳如下：①对于有限元分析方法的运用，注意有限元分析方法的流程，加强对有限元结果的认识。

离散网络密度、形函数构造、单元类型、边界条件处理都会产生对结果的影响。

柴油机曲轴有限元分析及结构优化设计

柴油机曲轴有限元分析及结构优化设计孙连科,唐斌,薛冬新,宋希庚(大连理工大学内燃机研究所,辽宁大连 116023)摘要:对一车用柴油机整体曲轴建立了符合实际情况的三维模型,采用有限元法对其进行了三维有限元分析,研究了整体曲轴的应力状态,并对其在交变载荷下的疲劳强度进行了校核。

同时对曲轴结构参数,圆角形状优化和圆角应力分布等相关问题进行了探讨。

最后对曲轴进行了模态分析。

为柴油机曲轴的结构设计提供了有价值的理论依据。

关键词:曲轴;有限元;疲劳强度;优化设计;模态分析中图分类号:TK423 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2007)03-0054-02FEA Optm i al Desi g n of D i e sel Engi n e C rankshaftSUN L ian ke ,TANG B in,X UE Dong x in,SONG X i geng(Institute of I .C .Eng i ne ,D a lian U ni v ers it y of T echno logy ,D a lian 116023,China)Abstr ac:t By se tti ng up a t h ree di m ensi onal m ode l of a d i esel eng i ne cranks ha ft co rrespondi ng to the prac tica l cond iti ons ,so m e ana lysisw ere carr i ed out .T he stress o f the crankshaftw as researched .The fatigue streng th was ver ifi ed unde r vary i ng l oads i n t h is paper .The structure para m ete rs ,opti m u m desi gn and stress distr i butions of the round co rner w ere d i scussed .T he m ode l ana l ys i s w as m ade at last .T he valuable theory basis is prov i ded for the crankshaft structure design .Key wor ds :Cranksha ft ;F i nite e le m en t ;F atigue strength ;O pti m um design ;M ode l analysis曲轴是柴油机中的重要部件之一,也是受力最复杂的部件。

当代发展前景下内燃机结构设计优化改进设想

•6•内燃机与配件当代发展前景下内燃机结构设计优化改进设想于彦良(河北轨道运输职业技术学院，石家庄052160 )摘要：内燃机在汽车、机械、船舶行业中的应用非常广泛，对交通运输、工业、农业，乃至于国际事业的发展具有重要意义。

随着科学技术的发展，为应对能源利用及环境保护方面的新的需求，如何通过推进内燃机的结构设计，通过科学的优化方案最大限度地挖掘内燃机的潜力，已成为相关技术人员的重要课题。

本文通过对目前内燃机结构优化设计理论的研究进行分析，并探讨了相关理论的应用情况和进展，对在当代发展前景下内燃机结构设计优化改进设想的诸多问题进行了展望。

关键词：内燃机;优化设计；复杂系统;基本参数;模糊优化0引言不同的历史时期对于科学技术的期望值也不同。

内燃机是近代工业文明发展的产物，以其简单、经济的特性快速取代了蒸气机，开启了世界范围内的第二次动力革命。

随后，通过科学家的不断研究，其优越的性能使其迅速在各个领域发挥起了重要作用，内燃机已经成为现代最主要的动力提供器械，并改变了人们的生活。

随着历史进程的不断加快，人们对于生活品质的要求也越来越高。

当前的发展形势下，内燃机的技术革新更重要的是达到经济型、舒适性、美观性的需求。

新的技术不断被推出，目的是最大限度地优化内燃机的性能。

由此也提出了对内燃机结构设计方面的优化改进要求。

目前，各个国家都投入了大量的财力、物力、人力，试图在内燃机结构设计中寻找到最合理的优化改进方案，从而取得相关领域中的前沿地位。

1内燃机结构设计优化的重要性分析内燃机的工作原理是将燃料引入气缸内燃烧，再通过燃气膨胀，推动活塞、曲柄-连杆机构，从而输出机械功的热力发动机，通常包括有柴油机、汽油机和煤气机等，是目前人类掌握的热效率最高的移动动力机械，在农业、工业、国防等多个领域的发展中都处于重要地位。

从内燃机诞生之日起，它为社会的进步提供了源源不绝的动力，同时也带来了对社会能源资料的大量消耗和环境污染问题。

有限元分析在内燃机结构设计中的应用

内燃机零部件的有限元分析与优化设计随着发动机技术的不断发展,发动机的设计向着提高效率、增加可靠性、减轻质量、降低燃油消耗率以及降低排放等方向发展,其强化指标不断增加,导致热负荷和机械负荷不断增加。

发动机主要零部件的结构形状和工作载荷非常复杂,使许多问题很难甚至不可能采用材料力学或弹性力学等经典理论进行解决。

有限元法作为现代CAD/CAM/CAE系统的核心理论,其分析思想克服了经典理论的不足,可用于解决复杂结构的场分布计算问题,目前结构有限元分析在发动机设计领域中得到了广泛应用,己有很多通用的商品化有限元软件和分析程序,应用于发动机主要零部件基本的有限元模型已经趋于成熟。

1曲轴的有限元分析1.1 计算模型的建立目前的曲轴有限元分析基本都采用三维计算模型，主要有以下三种。

（1）．1／4或1／2曲拐模型(见图1，2)。

它主要考虑弯曲载荷作用，并认为曲轴的形状和作用载荷相对于曲拐平面对称。

（2）．单个曲拐模型。

其分析曲轴上受载最严重的曲拐，优点在于计算规模小。

但其很难正确确定主轴颈剖分面处的边界条件，剖分面距离过渡，圆角很近也会影响计算精度。

（3）．整体曲轴模型。

这是进行曲轴有限元分析最合理的模型，计算精度高，但计算规模巨大。

1．2 边界条件的处理曲轴上的作用载荷相当复杂，作用于曲轴上的载荷主要有通过连杆传到曲轴上的气压力与活塞连杆组往复惯性力、自由端集中力、自由端弯矩、输出端集中力、输出端弯矩、自由端的端扭矩、连杆大头的回转惯性力与连杆轴颈惯性力、曲柄惯性力等。

准确确定载荷及力边界条件较困难，因此很多文献在处理边界条件时都进行了简化假设：假设各力为集中力；不考虑各轴颈扭矩及弯矩的作用；各力均作用在曲拐平面内。

目前进行曲轴有限元分析时，普遍采用的边界条件处理方法为位移边界条件和力边界条件。

位移边界条件是将两端主轴颈中截面上的中点和端面上的四个位置分别限制住相关自由度；力边界条件是假定载荷沿连杆轴颈方向按二次抛物线规律分布，沿轴颈圆周方向120D 角范围内按余弦规律分布(图4)，这是常规的处理方法，这种加载方式是油膜充分建立、轴承长度无限短且轴承孔中心线与轴颈轴线平行的条件下曲轴加载方式的模拟，因此是理想的情况。

有限元边界条件和载荷_图文(精)

X 边界条件和载荷 10.1边界条件施加的力和 /或者约束叫做边界条件。

在 HyperMesh 中,边界条件存放在叫做load collectors的载荷集中。

Load collectors可以通过在模型浏览器中点击右键来创建 (Create > Load Collector。

经常(尤其是刚开始需要一个 load collector来存放约束(也叫做 spc-单点约束 ,另外一个用来存放力或者压力。

记住,你可以把任何约束(比如节点约束自由度 1和自由度 123放在一个 load collector中。

这个规则同样适用于力和压力,它们可以放在同一个 load collector中而不管方向和大小。

下面是将力施加到结构的一些基本规则。

1. 集中载荷(作用在一个点或节点上将力施加到单个节点上往往会出现不如人意的结果, 特别是在查看此区域的应力时。

通常集中载荷 (比如施加到节点的点力容易产生高的应力梯度。

即使高应力是正确的(比如力施加在无限小的区域 ,你应该检查下这种载荷是不是合乎常理?换句话说,模型中的载荷代表了哪种真实加载的情形?因此,力常常使用分布载荷施加,也就是说线载荷,面载荷更贴近于真实情况。

2. 在线或边上的力上图中,平板受到 10N 的力。

力被平均分配到边的 11个节点上。

注意角上的力只作用在半个单元的边上。

上图是位移的云图。

注意位于板的角上的红色“ 热点” 。

局部最大位移是由边界效应引起的(例如角上的力只作用在半个单元的边上 ,我们应该在板的边线上添加均匀载荷。

上述例子中,平板依然承受 10N 的力。

但这次角上节点的受力减少为其他节点受力的一半大小。

上图显示了由 plate_distributed.hm文件计算得到的平板位移的云图分布。

位移分布更加均匀。

3. 牵引力(或斜压力牵引力是作用在一块区域上任意方向而不仅仅是垂直于此区域的力。

垂直于此区域的力称为压力。

4. 分布载荷(由公式确定的分布力如何施加一个大小变化的力?分布载荷(大小随着节点或单元坐标变化可以由一个公式来创建。

边界条件对尾部点火性能的影响

边界条件对尾部点火性能的影响张秋芳;李越森;胡乃合【摘要】通过模拟点火空间、改变点火药量及喷管堵片厚度的技术措施,解决了某发动机尾部点火装置研制过程中出现的点火延迟等技术问题,试验研究表明,对尾部点火设计而言,单靠增加点火药量并不是解决发动机点火延迟问题的有效途径.通过改变点火边界条件,使得点火药量与喷管堵片设计厚度协调、匹配,在解决发动机点火延迟等技术问题中起着重要作用.【期刊名称】《火炸药学报》【年(卷),期】2002(025)002【总页数】3页(P50-51,56)【关键词】固体火箭发动机;尾部点火【作者】张秋芳;李越森;胡乃合【作者单位】中国航天科技集团公司41所,陕西,西安,710025;中国航天科技集团公司41所,陕西,西安,710025;中国航天科技集团公司41所,陕西,西安,710025【正文语种】中文【中图分类】工业技术50 火炸药学报2002 年第 2 期边界条件对尾部点火性能的影响张秋芳，李越森，胡乃合（中国航天科技集团公司 41 所．陕西西安 710025) 摘要：通过模拟点火空间、改变点火药量及喷管堵片厚度的技术措施．解决了某发动机尾部点火笨置研制过程中出现的点火延；＆.等技术问题，试栓研究农明，对尾部点火设计而言，单靠增加点火药量并不是解决发动机点火 Jl返问题的有效途径．通过改变点火边界条件．使得点火药量与喷管堵片设计厚度协调、匹配，在解决发动机点火延迟等技术问题中起着重要作用．关键词：团体火箭发动机 s尾部点火中图分类号：TQ 560.71文献标i只码：A文章编号： 1007-7812(2002)02 005002 I 引言许多小型战术导弹，如肩扛式地－空导弹、反坦克导弹固体火箭发动机，由于战术技术需要，多采用尾部点火方式实施发动机点火。

点火延迟时间、点火压强峰值仍然是尾部点火设计应考虑的主要问题，同头部点火设计相比，其主要特点表现在以下几个方面：①尾部点火空间相对较小，通过调节点火药量来提高点火性能的余地较小。

发动机活塞有限元计算分析

发动机活塞有限元计算分析摘要：本文基于有限元方法，对发动机活塞进行了计算分析，对其结构进行了优化设计，通过数值模拟对优化后的发动机活塞性能进行了评估，并与传统的设计方案进行了比较。

研究结果表明，优化后的发动机活塞具有更好的强度和刚度，其疲劳寿命和耐磨性也得到了明显的提高。

该研究对于提高发动机的工作效率和可靠性具有重要意义。

关键词：发动机活塞；有限元方法；优化设计；数值模拟；疲劳寿命；耐磨性。

正文：引言发动机活塞是发动机内部重要零件之一，其结构设计直接影响发动机的工作效率和可靠性。

如何提高发动机活塞的强度、刚度、疲劳寿命和耐磨性是当前研究的热点。

有限元方法是一种广泛应用于结构计算分析的数值计算方法，其特点是能够对结构的受力情况进行精确的计算和分析。

在发动机活塞的设计中，有限元方法能够对不同结构参数进行优化，其优化结果可通过数值模拟进行评估。

本文以发动机活塞的有限元计算分析为研究对象，通过对其结构进行优化设计和数值模拟评估，旨在提高其工作效率和可靠性。

方法本文采用有限元方法，对发动机活塞的结构进行了优化设计，并基于计算模型进行了数值模拟分析。

其中，对于优化设计部分，在不影响原结构的情况下，对原发动机活塞进行了改进，提高其强度和刚度；对于数值模拟部分，采用ANSYS软件对优化后的发动机活塞进行了疲劳寿命和耐磨性的数值模拟。

结果及分析通过结构优化设计，本文得到了一种新的发动机活塞结构。

数值模拟结果表明，优化后的发动机活塞具有更好的强度和刚度，其疲劳寿命和耐磨性也得到了明显的提高。

与传统的设计方案相比，新结构的发动机活塞在受力情况下表现更加均匀稳定，其结构寿命得到了有效延长。

结论本文基于有限元方法对发动机活塞进行了结构优化设计，并通过数值模拟对其性能进行了评估。

研究结果表明，优化后的发动机活塞具有更好的强度和刚度，其疲劳寿命和耐磨性也得到了明显的提高。

本文的研究为提高发动机的工作效率和可靠性提供了有力支持，并为将来的研究提供了参考。

边界条件对柴油机活塞内温度分布计算的影响_聂宇宏

第23卷第1期2009年2月江苏科技大学学报(自然科学版)Journa l of J i angsu U niversity of Science and T echno l ogy(N atura l Sc i ence Editi on)V o.l 23N o .1F eb .2009边界条件对柴油机活塞内温度分布计算的影响聂宇宏,宋有生(江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003)摘要:为了模拟活塞内的温度分布,必须准确地确定活塞所处的边界条件.将柴油机缸内燃烧、流动和传热数值模拟所得的壁面热流作为活塞顶部的传热边界条件,用有限元法计算了额定工况下G4135柴油机活塞内的温度分布,并与传统的经验半经验公式作为活塞顶部边界条件的计算结果进行了比较.结果表明,采用不同的边界条件,计算所得的活塞顶部最高温度的相对误差较大,只有将数值模拟的壁面热流作为活塞顶部的传热边界条件,才能更精确地模拟活塞内的温度分布.关键词:活塞;温度分布;边界条件;有限元分析中图分类号:TK421 2 文献标志码:A 文章编号:1673-4807(2009)01-0047-04收稿日期:2007-11-15作者简介:聂宇宏(1968 ),女,河南新安人,博士,教授,研究方向为辐射换热数值模拟.E-m ai:l n i eyh2003@yahoo .co I nfluence of boundary conditi ons on te mperat uredistri buti on i n t he diesel pistonN ie Yuhong ,Song Yousheng(School ofN aval Arc h itecture and O cean Engi n eeri ng ,J i angs u Un i vers i ty of S ci ence and Techn ol ogy ,Zhen ji ang Ji angsu 212003,Ch i na)Abst ract :In order to deter m i n e the te m perat u re d istri b uti o n i n the piston ,the boundary cond iti o n of the piston m ust be correc.t The te m perature d istri b uti o n i n a G4135diesel p iston w as ca lculated under rated situation when he heat flux si m u lated fro m the co m bustion ,fluid fl o w and heat transfer co mpu tation i n the diesel i n -cy li n der is used as the boundary condition .The te m perature d istri b uti o ns i n t h e sa m e piston w ere calcu lated under t w o boundary cond itions that w ere the traditi o na l e m pirical for m ula and the num erica l si m ulati o n.Results w ere co m-pared bet w een the t w o boundary cond iti o ns .Results show that the largest te m perature difference in the p iston is under place where the p iston te m perat u re is the h i g hes.t So the num erical values can be used as heat boundar y conditions of p i s ton top to si m ulate m ore accurate te m perature d istribution.K ey w ords :piston ;te m perature d istri b ution;boundary cond iti o n;fi n ite ele m ent ana l y sis 活塞是柴油机燃烧室的重要组成部件,其结构和所处的工作环境十分复杂,工作条件十分恶劣,其工作的可靠性已成为提高发动机可靠性的关键技术之一[1].因此,活塞内温度分布的准确模拟对于活塞的辅助设计是必不可少的.有限元分析是进行活塞内数值模型的有效方法,在用有限元法进行活塞内的热传导计算时,确定活塞的热边界条件是计算的关键问题之一,而其中最难以确定和最容易导致偏差的是活塞顶部与缸内燃气的传热边界条件.国内外的许多学者应用有限元分析方法进行了活塞内温度场与热应力分析[2-4],但在计算过程中,活塞顶部传热边界条件都采用经验半经验公式,也就是活塞顶部采用平均的对流换热系数、平均的缸内温度作为第三类边界条件.而实际的情况是,活塞顶部处于缸内的燃烧和流动中,其边界条件应该由缸内的燃烧、传热和流动情况决定.本文将柴油机缸内燃烧、流动和传热模拟所得的壁面热流结果作为活塞顶部的传热边界条件,对额定工况下G4135型柴油机活塞内的温度分布进行了有限元分析,并将计算结果与传统的经验半经验公式作为为活塞顶部边界条件的计算结果进行比较.1 活塞三维几何模型及网格划分G4135型柴油机活塞的几何结构如图1所示,图中的编号是对计算结果进行比较时选用的点.活塞的材料为共晶硅铝合金,性能参数:密度48江苏科技大学学报(自然科学版)第23卷为2700kg /m 3;比热容为880J/(kg K );导热系数为145W /(m K).图1 活塞结构示意图F i g .1 S truc ture of the p iston用pr o /e 建立活塞的几何模型,再导入ANSYS软件进行网格划分和计算.考虑到活塞结构载荷和边界条件的对称性,可以取活塞的1/2模型进行分析.由于活塞的结构比较复杂,对于三维问题,有限元网格用10节点四面体单元对模型进行离散化处理较为方便,离散后模型总单元数为83048个,总节点数为22013个.网格划分的结果如图2所示.图2 活塞的网格划分Fig .2 D iscre ti on gr i d s i n the p iston2 活塞的传热边界条件及比较活塞的传热边界条件包括活塞顶部区、火力岸区、环槽区、活塞环岸区、裙部区和活塞底部区.文中活塞顶部边界条件取自缸内流动和燃烧的数值模拟,为了便于比较,还给出了传统的经验半经验公式边界条件的确定方法.2 1 活塞顶部区的边界条件1)经验半经验公式在用经验半经验公式计算时,先用示功图计算出额定工况下活塞顶部的瞬时环境温度T g 和瞬时传热系数 g ,再利用E ichelberg 经验公式计算总的传热系数[5]g =7 7993C m P g T g (1)式中,C m 为活塞平均速度,单位为m /s ;P g 为燃气瞬时压力,单位为MPa ;T g 为燃气瞬时温度,单位为K.计算活塞顶部的平均温度T gm 和平均换热系数 gmT gm = 360-360( gT g)d / 360-360gd(2) gm= 360-360gd /720(3)将平均温度和平均换热系数作为边界条件,进行活塞内的温度计算.2)数值模拟的边界条件用F l u ent 软件对缸内气体流动、燃烧和传热等过程进行数值模拟,得到活塞顶部的热流密度[6].因本文的模拟中,对活塞的温度分布进行三维稳态的数值模拟,所以将每一网格的热流密度值q g 对曲轴转角进行平均,得到q gmq gm = 360-360q gd /720(4)式(4)为活塞内温度计算的边界条件.2 2 两种顶部边界条件的比较经验半经验公式的边界条件为第三类边界条件,而数值模型的边界条件为第二类边界条件,为便于比较,本文根据q g = g T = g (T g -T w )(5)计算出经验半经验公式的瞬时热流密度q g ,并与数值模拟所得的瞬时热流密度相比较.与图1中所示的点1,点2和点3相对应的2种方法热流密度的比较,结果如图3所示.图3 两种方法计算的各点热流密度比较图F ig .3 H eat fl ux co mparison between th e t w o m ethod s从图3中可以看到,经验公式所计算的热流密第1期聂宇宏,等:边界条件对柴油机活塞内温度分布计算的影响49度值较大.在0~180 曲轴转角范围内,2种方法所得的热流密度相差较大,而其他的曲轴转角范围内,热流密度的差别较小.将数值模拟的结果作为准确值,经验公式所得热流密度的最大相对误差点1为2 8%,点2为4 2%,点3为3 5%.2 3 其他区域的边界条件活塞火力岸区采用绝热的边界条件.活塞环区、裙部和底部的换热系数均由经验半经验公式计算得到.根据G4135柴油机的运行工况,在计算时取底部油温为353K,活塞裙部的环境温度取冷却油温度为363K,活塞环槽区的环境温度取为393K[7].润滑油侧传热系数采用经验公式计算[8].3 活塞温度场的计算和分析根据以上所建立的计算模型和边界条件,对G4135柴油机的活塞温度场进行了计算.图4为两种边界条件下计算所得的活塞内的温度分布.从图中可以看出,活塞顶部的温度分布是从中心到燃烧室喉口边缘先降后升,在燃烧室边缘达到最高值,然后再逐渐降低.活塞的轴向温度差在200K左右,而且沿轴向的分布是非线性的.比较图a),b)可以看出,两种边界条件所得的温度分布不同,特别是在点4和点5所对应的区域,相差较大.a)经验公式边界条件b)数值模拟边界条件图4 不同边界条件下活塞内的温度分布图F ig.4 T e m perature distr i bu tion i n the p iston under d ifferen t boundary cond ition s为了更清楚地表现两种边界条件对温度分布的影响,图5标出了图1中点1,4,5的温度T沿活塞长度z方向S z的分布,两种方法的计算结果在活塞温度值最高处(活塞燃烧室边缘)相差最大,以数值模拟为边界条件的结果为基准,经验公式边界条件的最大相对误差在点5处,约为3%.图5 各点温度沿活塞长度的分布F i g.5 T e m perature d istr i bu ti on along the z d i rect i on4 结论1)将Fluen t软件对柴油机缸内传热和流动的数值模拟结果与分析柴油机活塞温度分布的有限元软件Ansys相结合,可以更为准确地模拟活塞内的温度分布;2)以数值模拟为边界条件的结果为基准,经验公式边界条件所得的活塞内温度分布的最大相对误差在点5处,约为3%;3)柴油机缸内传热、流动和燃烧的数值模拟是目前柴油机研究的热点问题之一,并已取得了很多成果,将其结果用于活塞温度分布的边界条件,可以为活塞温度分布的研究打下良好的基础.参考文献(R eferences)[1]叶晓明,闵作兴,陈国华,等.柴油机活塞温度场试验研究及三维有限元分析[J].华中科技大学学报:自然科学版,2002,30(3):46-48.Y e X i aom ing,M i n Zuox i ng,Chen G uohua,et a.l Theexper i m enta l i nvesti ga ti on o f diese l eng i ne p i ston s te m-perature fi e l d and its3-D finite ele m ent analysis[J].J ournal of H uazhong Universit y of Science&T echno logy:N at ure Science Ed ition,2002,30(3):46-48.(i n Ch-inese)[2]薛明德,丁宏伟,王利华.柴油机活塞的温度场、热变形与应力三维有限元分析[J].兵工学报,2001,22(1):11-14.Xue M i ngde,D i ng H ongw e,i W ang L ihua.3-D fi n ite50江苏科技大学学报(自然科学版)第23卷ele m ent ana lysis of the te m pe ra t ure field,the r ma l defo r m-a ti on and stress of p i ston in d i esel[J].ACTA A rma m en-taril,2001,22(1):11-14.(i n Ch i nese)[3]F e lter L C.N u m er i ca l s i m u l a tion of piston r i ng l ubricati on[J].T r ibology Interna tional,2007,41:914-919.[4]L iF Z.A na l ytical so l ution for heat flo w i n cy li nder and itsapplicati on i n calcu lati ng converter ski n te m perature[R].SAE T echn icalP aper Ser ies,D etro it,M I,U S A:[s.n.],2000.[5]王忠瑜.活塞的传热和热强度研究[D].重庆:重庆大学,2002.[6]朱丽丹,聂宇宏.G4135柴油机燃烧过程数值模拟的研究[J].江苏科技大学学报:自然科学版,2007,21(1):70-74.Zhu L i dan,N ie Y uhong.Nume rica l s i m u l ation o f com-busti on process i n d irect injecti on d i esel eng i ne type G4135[J].Journal of J iang su Uni ver sity of Science andT ec hno logy:N atural Science Ed ition,2007,21(4)70-74.(i n Ch i nese)[7]田永祥,张锡朝,张济勇.发动机活塞温度场三维有限元分析[J].内燃机工程,2004,25(1):62-65.T i an Y ongx iang,Zhang X ichao,Zhang Jiyong.Three d-i m ens i ona l FEA f o r the t her m a l field of p i stons[J].Chi-nese In ternal C o m bustion Eng ine Eng i neering,2004,25(1):62-65.(i n Chi nese)[8]李迎,俞小莉,陆国栋,等.活塞-缸套周期性瞬态传热仿真[J].农业机械学报,2007,38(1):60-64.L iY i ng,Y u X iao l,i Lu Guodong,et a.l S i m u lati on study on cyc lic transient hea t transfer of piston-cyli nder li ner [J].T ransactions of t he Chi nese Societ y for Agr icultural M ac h i nery,2007,38(1):60-64.(i n Ch i nese)(责任编辑:贡洪殿)。

基于+ANSYS+发动机活塞有限元的分析与优化

第３６卷　第１期河北联合大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ畅３６　Ｎｏ畅１２０１４年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｂｅｉＵｎｉｔｅｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｊａｎ畅２０１４文章编号：２０９５－２７１６（２０１４）０１－００３６－０６基于ＡＮＳＹＳ发动机活塞有限元的分析与优化孙庆荣，杨　洋（皖江职业教育中心学校，安徽马鞍山２４３０００）关键词：活塞；有限元；机械载荷；边界条件摘　要：对活塞在机械负荷作用下的应力和变形进行了研究。

首先，利用三维制图软件ＵＧ建立了内燃机活塞的几何模型，在三维有限元分析软件中转换有限元模型。

然后探讨了活塞机械载荷的确定方法。

完成了活塞在机械载荷作用下的应力与变形分析，并考虑了活塞裙部侧推力的影响。

结果表明：活塞的应力主要受机械载荷的影响，同时活塞变形呈轴对称分布，变形后裙部外形轮廓形状发生较大变化。

因此，本文的研究结果将为活塞改进设计提供参考。

中图分类号：ＴＨ４５７　文献标志码：Ａ上海复旦大学和上海内燃机研究所，早在七十年代就利用轴对称三角形单元对活塞进行有限元分析；八十年代初，上海交通大学和华中理工大学分别在传热边界条件方面和活塞的尺寸优化方面进行了深入研究。

但是上述工作仅仅是二维或轴对称阶段，它的任务较为单一，功能比较简单。

随着有限元方法的发展，王等人通过建立柴油发动机铝活塞三维有限元模型，研究在热力耦合作用下活塞温度分布、热变形和机械变形。

研究表明裙部轮廓形状对减少活塞与缸套之间划伤与摩擦发挥了重要作用。

高速直喷式柴油机活塞有限元模型的发展也说明了热交换在活塞设计和发展中的作用。

进入九十年代后，随着计算机硬件技术的进步，对活塞进行应力与变形的研究逐渐增多。

天津大学佟景伟在温度与机械载荷作用下对活塞应力与变形进行了三维元分析。

山东活塞厂对活塞在机械载荷和热载荷作用下的强度进行了有限元分析。

吉林工业大学方华和华北工学院周先辉对活塞进行热变形，热应力，机械变形，机械应力，耦合变形，耦合应力有限元分析，发现活塞在机械负荷与热负荷作用下其变形是不均匀的，由裙底至头部径向变形逐渐加大，横截面变形后呈椭圆状且椭圆度值由顶部至裙底逐渐减小，长轴方向为销孔轴线方向，这是造成活塞拉缸的主要原因，这种变形规律推动着活塞型面朝中凸变椭圆方向发展。

有限元计算边界条件的选取

热力分析时结构的边界条件
• 这种边界条件很少有人提到，只在热变形分析时，有这种边界条件，也是一种很重要的边界条件。有些弹性体本来处于自由膨胀的状态，为了求解需要施加了边界条件。但是一定要注意，这个边界条件不能任意约束，如果不小心，则要产生很大的应力集中现象。
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有限元计算边界条件的选取
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有限元计算边界条件的选取
• 众所周知，用有限元对结构进行计算分析时，边界条件的施加致关重要。施加什么样的边界条件，就有什么样的计算结果，边界条件不同计算结果也不同。 • 有限元结构分析时，计算结果只对边界条件负责，只要所选的边界条件满足有限元平衡方程求解要求，就能得到正确结果。例如：在施加边界条件时，限制了结构的刚体移动和转动，满足了有限元求解的必要条件，就可得到对应于该边界条件的正确结果。但是，作为工程结构分析这是不够的，还必须满足充分条件，即符合工程实际情况的边界条件。例如：分析一个在压力作用下桌子的变形，边界条件可以取在桌面的4个角点处，只要施加得正确，就可以得到结果。但是，这样处理没有满足充分条件，不是实际受力的结果。实际受力的结果应该将边界条件施加在桌子4个腿的接地处。因此，评价计算结果是否可用于工程，还必须检查是否满了这个充分条件，只有满足了充分条件，有限元计算结果方可用于工程。
接触结构边界条件的选取
• 有限元计算分析边界条件施加位置，根据圣维南原理应该尽量远离强度分析部位，避免边界条件对计算结果的影响。但是对某些结构分析，边界条件施加在接触部位是不可避免的。如果重点考察部位不在接触处，施加边界条件比较好办；如果重点考察部位在接触处，就值得研究了。 • 对于接触结构，施加边界条件可有三种方案选择：按接触问题处理、按接触点对位移协调、接触结构其中之一按刚体处理。

有限元计算中的叶片边界条件的选取

有限元计算中的叶片边界条件的选取
王相平;徐鹤山
【期刊名称】《航空发动机》
【年(卷),期】1998(000)004
【摘要】使用有限元对结构进行强度和振动分析时，单元类型和单元数量的选取直接影响到计算精度，而边界条件的选取则会影响到计算结果的真实性，从工程意义上讲，边界条件的选取比单元模型和单元数量的选取更重要。

本文对有限元计算的边界条件的选取进行了初步分析和探讨，并以三维有限元为例，给出了叶身，榫头和凸肩（叶冠）处的边界条件，并介绍了叶片强度计算时边界条件的选取方法或原则。

【总页数】5页(P43-46,57)
【作者】王相平;徐鹤山
【作者单位】沈阳航空发动机研究所;沈阳航空发动机研究所
【正文语种】中文
【中图分类】V232.4
【相关文献】
1.水工结构有限元计算对边界条件的影响 [J], 刘汉鹏
2.内燃机零部件有限元计算中边界条件处理的研究 [J], 孙军;汪景峰;桂长林
3.连杆有限元计算边界条件研究 [J], 丁家松;李全;梁刚
4.排气阀热边界条件分析及温度场有限元计算 [J], 吴玥明;曾攀;方刚;雷丽萍
5.水轮机控制环刚强度有限元计算边界条件研究 [J], 王治国
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有限元法边界条件的处理

有限元法边‎界条件的处‎理边界上的节‎点通常有两‎种情况，1. 一种边界上‎的节点可自‎由变形，此时节点上‎的载荷等于‎0，或者节点上‎作用某种外‎载荷，可以令该点‎的节点载荷‎等于规定的‎载荷Q。

这种情况的‎处理是比较‎简单的。

2. 另一种边界‎上的节点，规定了节点‎位移的数值‎。

这种情况下‎，有两种方法‎可以处理：* 划0置1法‎* 置大数法划0置1法‎是精确的方‎法，置大数法则‎是近似的方‎法。

下面分别介‎绍这两种方‎法置大数法假设v自由‎度的位移已‎知为b(b可以为0‎或者其他任‎意值)。

1. 将v自由度‎相应对角线‎上的刚度系‎数k(v,v) 换成一个极‎大的数，例如可以换‎成k(v,v)*1E8 k(v,v) ---> k(v,v) * 1E82. 将v自由度‎相应节点载‎荷F(v) 换成F(v) * 1E8 * bF(v) ---> F(v) * 1E8 * b3. 其余均保留‎不变，求出的v =~ b此方法的处‎理只需要修‎改两个数值‎即可，简单方便，虽然求得的‎是近似值，但一般仍然‎推荐使用。

置大数法来‎源于约束变‎分原理，本质和罚函‎数是一样的‎，得到的都是‎一个非精确‎值，施加起来在‎程序实现上‎相对简单，但是过大的‎大数可能引‎起线性方程‎的病态，造成在某些‎求解方法下‎无法求解，过小的大数‎有可能引起‎计算的误差‎，因此大数的‎选择也算是‎一个优化的‎过程吧，因此如果位‎移边界条件‎为0的话，主1副0的‎方法通用性‎更好吧而位移非零‎的情况下，还有一种类‎似主1副0‎的方法可以‎采用吧，不过程序处‎理相对麻烦‎一点，我一下也没‎找到，你不妨找找‎看这是在不增‎加方程个数‎的情况下的‎处理方式，拉格朗日乘‎子法好像也‎可以处理边‎界条件，但是会增加‎方程的个数‎，所以大家一‎般都不太用‎来着，拉格朗日乘‎子法和罚函‎数法的原理‎可以看一下‎王勖成写的‎那本有限元‎，如果英文好‎，不放看看监‎克维奇的那‎本英文的《finit‎e eleme‎n t metho‎d》划0置1法‎假设v自由‎度的位移已‎知为b(b可以为0‎或者其他任‎意值)。

有限元法及边界元法在内燃机热负荷研究中的应用

有限元法及边界元法在内燃机热负荷研究中的应用
严兆大;王根生
【期刊名称】《浙江大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】1989(023)006
【摘要】本文将采用有限元法与边界元法对内燃机受热零件的热负荷进行计算,并用实测温度校核,结果表明这两种方法在适当选择换热边界条件时,均具有较高的精度。

文中还对这两种方法在传热问题中应用的优缺点进行了比较。

【总页数】8页(P825-832)
【作者】严兆大;王根生
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TK423.84
【相关文献】
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