基于有限元分析的S195活塞的改进设计

[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。

柴油机在农业生产上的应用中，固定式柴油机直接驱动各作业机械进行作业，如用于发电、农副产品加工等固定作业；移动式柴油机构成拖拉机或各种自走式农业机械带动作业机械或工作部件进行作业，如用于耕整、播栽、中耕、喷雾、施肥、收获等田间移动作业，同时，还承担着农田基本建设中的挖掘、推土、铲运、平整、开沟和农用运输等工作。

而S195型柴油机是广大农村中使用最广泛的动力机械，它的设计是否合理，直接关系到广大农村用户的切身利益。

然而，目前国内绝大部分农用S195柴油机均采用热效率较低、经济性较差的分隔式燃烧室，急待改进。

针对原S195柴油机分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室的情况，本设计对原有活塞的结构进行改进设计，以便更好满足燃烧室改进后柴油机对燃烧室形状以及活塞工作条件的要求。

活塞是内燃机的重要零部件之一，其结构和所处的工作环境十分复杂。

在气体压力、往复惯性力等周期性载荷作用下，活塞产生很大的机械变形和机械应力。

在灼热的燃气作用下，还产生很大的热变形和热应力。

热应力与机械应力迭加可导致活塞破坏，而热变形与机械变形迭加可导致拉缸。

原S195柴油机分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室后，活塞所承受的最高燃烧压力和最高温度将增大，这有可能使原来的活塞结构强度不能与之相适应，产生的机械应力和热应力可能导致活塞破坏，活塞的工作寿命缩短。

因此对活塞进行改进设计。

本课题在原有活塞结构的基础上力图进行改进。

首先计算分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室后的最高燃烧压力，再建立活塞的三维模型，将模型导入分析软件ANSYS后，分析其在最高燃烧压力下的应力、应变状态及危险部位，从而为活塞的结构设计、优化分析提供了充分的理论依据。

1 直喷式S195柴油机热力计算和动力计算内燃机工作过程计算是以理想的混合循环加热方式作为出发点，并假定其中的几个过程的始终点是以活塞上下死点为准，求出各特征点的状态参数，然后绘制出示功图并用整圆系数加以修正.计算应用较简单的关系式和利用一些经验数据来处理实际的复杂过程。

实践证明，只要各过程中的主要参数能积累有较多的实验参考数据并选择得当，还是有一定的实用价值的。

它还具有计算简单及便于掌握应用的优点。

[1]柴油机工作过程估算在设计或研制一台柴油机时起到以下几个方面的作用：（1）通过估算可以初步了解与掌握各热力参数之间的内在联系，供柴油机在设计改进时进行分析和调整试验时作参考。

（2）柴油机动力计算和强度计算均需用本估算获得的示功图作为基础。

（3）提供增压系统的设计参数如p k、G k等或作为选配增压器参数时的依据。

1.1热力计算1.1.1原始参数及己知条件(1)冲程数 Z=4(2)气缸直径 D=0.095 m(3)活塞行程 S=0.115 m(4)额定功率 Ne=8.82 kW(5)额定转速 n=2000 r/min(6)平均有效压力 Pe=0.65Mp(7)活塞平均速度 Cm=7.67 m/s(8)大气压力 P=0.101Mp=293 k(9)大气温度 T(10) 柴油低热值 Hu=43995 kJ/kg1.1.2选定参数根据本机特点及柴油机一般参考资料选取参数如下：(1) 压缩比 ε=17(2) 剩余废气系数 γr=0.06(3) 缸内废气温度 Tr=1000 k(4) 进气温度 Ts=T0=293 k(5) 排气温度 Tt=600 k(6) 进气压力 p T0=0.101 Mp(7) 空气进入气缸后的温升 △ta=12 k(8) Z 点热利用率 ξz=0.75(9) b 点热利用系数 ξb=0.03(10)丰满系数 ηf=0.98 (11)有效油耗率 ge=0.248 kg/(kw ·h) (12)进气管压力 ps=0.101 Mp (13) 进气终点压力 p a =0.0833 Mp(14) 最高爆发压力 p z =7.84 Mp(15)平均多变膨胀指数 n 2=1.22其中剩余废气系数γr 的选取范围：0.03-0.06， △ta 选取范围为；10-12K ， 丰满系数ηf 选取范围为；0.96-0.98，n 2选取范围为；1.22-1.29;通过调整这么参数的范围，使最终得出的Ne 与 pe 与原始参数不超过1％,这样选定了以上参数。

1.1.3气缸工作过程计算(1)充量系数 V η6920.976211027100.91V n n η--=+⨯-⨯= (1)(2)过量空气系数 645 1.72v s e s ep p T g ηα== (2) (3)平均机械损失压力14[0.083()0.44]0.132m e m p D p C Mp -=+-= (3)(4)进气终点温度 Ta3421Ts Ta rTr Ta K r γγ++==+ (4) (5)压缩终点压力p c1 3.99n pc pa Mp ε=⋅= (5)(6)平均压缩指数n 1根据已求得的Ta 和ε，查《船用柴油机设计手册(三)》中图3.1.2.12得n 1=1.366(7)压缩终点温度 Tc11966n Tc Ta K ε-=⋅= (6)(8)气缸工作容积 Vh2438.15104Vh D S m π-==⨯ (7)(9)气缸压缩容积 Vc535.09101h V Vc m ε-==⨯- (8) (10)理论空气量L 0 01()0.495/0.2112432C H O L kmolair kgfuel =+-= (9) (11)实际空气量 L00.849/L L kmolair kgfuel α== (10)(12)燃烧产物 M 2200.881/432H O M L kmolair kgfuel α=++= (11) (13)分子变更系数 β020 1.038M Lβ== (12) (14)燃烧前后实际分子变更系数 β0 1.0361r rβγβγ+==+ (13)(15)压缩终点定容摩尔比热 μCv1m1 4.600.000621681/(K)Cv m Tc J kg μ=+=⋅ (14)(16)燃烧终点燃烧产物平均定容摩尔比热 μCv2m54.89(1)4.6086(1)60227116/(K)10Cv m Tz J kg ααμαα+-+-=+=⋅⨯ (15) (17)压力升高比λ1.96zcp p λ== (16)(18)定压燃烧终点温度 Tz12( 1.986)(1)1953( 1.986)z ucV m r cV m H Tc L Tz k ξμλγβμ+++==+(17) (19)初膨胀比 ρ1.19TzTc βρλ=⋅= (18)(20)定容燃烧终点气缸容积 Vz536.0710Vz Vc m ρ-=⋅=⨯ (19)(21)后膨胀比 δ14.2εδρ== (20)(22)膨胀终点温度Tb211087n TzTb K δ-== (21)(23)膨胀终点压力 p b20.31zb n p p Mp δ== (22)(24)理论平均指示压力 p i `2121[(1)(1)]0.8011ci npp Mp n λρλρεδ-'=-+⨯-=-- (23)(25)平均指示压力 p i0.78i f i p p Mp η'=⋅= (24)(26)指示功率 Ni10.060.9i h p V n i Ni Kw ⋅⋅⋅== (25) (27)指示热效率 ηi001.9860.399i s i u v L p T H p αηη== (26) (28)指示油耗率 gi632.30.205kg/kwh i u ig H η== (27)(29)平均有效压力 p e0.65e m i p p Mp η=⋅= (28)(30)有效功率 Ne8.810.9e h p V nZNe kW == (29)其中Z 为气缸数(31)有效热效率 ηe0.331e m i ηηη== (30)(32)有效油耗率 g e632.30.247kg/kwh e u eg H η== (31)1.1.4 示功图绘制（1）压缩线上任意点压力：11()()n ncx a a VaS Sc p p p Vc Sx Sc +==+(32) （2）膨胀线上任意点压力：12()()n nbx b b VbS Sc p p p Vbx Sx Sc +==+(33) 其中：0.1150.00721171SSc m ε===--(34) [(1)(cos cos )]44Sx R λλαα=+-+(35) 根据以上公式及选定参数Pz 可求出各曲轴转角的气缸压力如下表：表1 工作过程气体压力其中最高爆发压力Pz 一般出现在上止点后7°的位置。