有限元分析

第2章软件介绍

2.1 建模软件

SolidWorks 是生信国际有限公司推出的机械设计软件, 是全参数化特征造型软SolidWorks有全面的零件实体建模功能,变量化的草图轮廓绘制,驱动参数改变特征的大小和位置,丰富的数据转换接口使SolidWorks可以将几乎所有的机械CAD 软件集成到现在的设计环境中来,SolidWorks支持的数据标准有：IGES,DXFDWG, ASCII, Parasolid等多种文件格式, 从而实现与有限元分析、流体分析软件的数据交换；Solidworks 环境下提供的文件格式EPRT 或EASM 格式可以将Solidworks文件转变为可执行文件,从而实现与外界的数据共享。该软件最大的特点是简单易学,Solidworks 软件从1997 年面世就受到广大工程技术人员的喜爱,它是参数化特征造型软件的新秀。

SolidWorks 软件包含零件建模、装配设计、工程图与钣金等模块，还与高级图像渲染软件PhotoWorks，高级有限元分析软件Simulation，机构运动学分析软件Motionworks，产品数据管理（PDM）软件SmarTeam，以及数控加工等软件无缝集成。SolidWorks还首创了自上而下的全相关设计，并凭借高效运行的装配设计使之成为实作技术。

2.2 有限元分析法

有限单元法是在当今科学技术发展和工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法，它是用计算机把复杂的零件形体自动分割成有限个形状简单的单元，然后逐个分析、计算这些小单元体的变形，并按一定的关系求得零件的总变形。由于它的通用性和有效性，理论基础牢靠，物理概念清晰，解决问题效率高，能为工程师在设计阶段掌握产品性能、优化产品的结构，缩短设计试验周期，使设计制造的产品具有较强的竞争力等优点，因而受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术的快速发展，现己成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。

2.2.1 有限元原理

有限元分析法的基本原理是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它的核

心思想是结构的离散化，即将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵:在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场试验研究度场等物理特性的计算，最后对计算结果进行分析，并以图像和数据的形式直观地显示出来。从数学角度考虑，它是从变分原理出发通过分区描值把二次泛函能量积分的极值问题化为一组多元线性方程来解，人们知道直接从一个微分方程推导出它的泛函常常是很复杂的，有时甚至是不可能的，所以在求泛函时常借助于所研究问题的物理特性，诸如金属切削机床这类机械产品的刚性问题属于小变形弹性问题，因而弹性力学中最小位能原理提供了极大的方便。

2.2.2有限元法的解题思路与解题步骤

有限元分析的基本思路是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，可以归纳为“化整为零，积零为整”八个字。

对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元分析方法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和具体的求解方式不同。有限元法求解问题的基本步骤通常为：

第一步:结构离散

将连续的求解域离散为由有限个具有不同大小和形状且彼此相连的单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然网络越细则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大。

第二步:单元划分

对组成离散模型的通用单元进行分析，通过选择合理的单元坐标系，和以特定的基本未知数（如位移）建立单元函数，从而形成单元矩阵。

第三步:整体分析

利用节点处的连续条件（如变形协调条件）和平衡条件（如静力平衡条件），建立基本未知数与外载荷之间的整体刚度方程组。

第四步:约束处理

将已知的边界条件（约束）代入整体刚度方程组，用直接法、迭代法和随机法等方法进行求解，得到基本未知数的近似值。

第五步:后处理

由基本未知数派生出其他量（如应力、应变等）。

简言之，有限元分析方法可分成三个阶段，前处理、有限元求解和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分，施加边界条件、负荷条件和时间变化情形等;求解是通过CAE软件的求解器进行求解计算;后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。图2-1是运用有限元分析法解决有限元问题的流程图

图2-1有限元分析问题流程图

2.2.3有限元软件的类型与分析步骤

有限元技术发展至今，国内外已开发出一批成熟的有限元分析软件。这些软件前后处理方便、求解功能齐全。常用的分析软件有：ADINA、ANSYS、COSMOS。这些软件应用范围广泛，可处理连续体分析、流体分析、热传导分析、电磁场分析、以及线性与非线性分析、弹塑性分析等。

从使用过程讲，大型通用有限元软件分析概括为三大步：

一、前处理：定类型，画模型，设属性，分网络。

二、求解：添约束，加载荷，查错误、求结果。

三、后处理：列结果，绘图形，显动画，下结论。

2.3活塞有限元分析

2.3.1活塞有限元分析的意义

发动机是一种将燃油化学能转变成为机械功的动力机械。这种能量转换是燃油在气缸中与空气充分混合进行燃烧，产生高温高压的工作气体，推动活塞、连杆、曲轴，从而使燃油化学能转变成机械功向外输出的。发动机经历了一百多年发展，虽然基本构造变化不大，但其性能和设计水平一直在不断提高，其燃油经济性、升功率、紧凑性、制造成本、可靠性和使用寿命等主要技术指标不断得到改善。近年来，为适应环境保护的要求，在减少其有害排放物、减少振动与噪声等方面也在不断地进步。

伴随着发动机转速和功率的提高，必然会带来缸内燃气爆发压力和温度增高。燃气爆发压力增加，一方面使得活塞、缸体和缸盖承受的机械负荷增大，导致活塞、缸体和缸盖因强度不足而产生破坏。另一方面压力升高过大，还会产生敲缸现象和增加发动机燃烧噪声。燃气温度升高，导致组成发动机燃烧室的受热零件热负荷增加，产生极大的热应力和热变形，温度过高还会导致受热零件材料强度和硬度急剧下降，降低其可靠性和使用寿命。

活塞是发动机工作条件最苛刻的零件之一，它在高速往复运动中传递着整个发动机原动力，承受着非常高的机械负荷和热负荷。活塞是制约发动机进一步强化的瓶颈之一。活塞设计好坏、加工精度的高低都会直接影响发动机经济性、可靠性、检修周期和使用寿命。温度过高会降低材料许用应力和强度，从而缩短活塞使用寿命和降低发动机性能。另外在热负荷和机械载荷作用下，活塞整体会发生变形，从而影响活塞与缸套之间的配合精度，尤其是活塞裙部与缸套的配缸间隙。活塞裙部在气缸内起着导向、承受侧推力和传热等作用，在工作条件下，由于温度和外载荷影响，活塞裙部将发生变形，形状发生改变，导致裙部与缸套的间隙发生变化，间隙变化导致裙部与缸套油膜厚度发生改变，从而使活塞—缸套系统的润滑特性发生改变，影响活塞的承载能力；因此有必要对活塞受力和传热状况进行计算分析，研究活塞在热、力载荷作用下的变形情况和应力分布，为活塞—缸套间润滑特性分析及活塞设计提供依据。

对活塞进行热、力分析研究方法有多种，近年来，利用有限元技术对活塞进行热、力耦合研究越来越普遍。在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元法（FEM，Finite Element Method）为解决发动机各零部件的分析计算问