462Q活塞机械强度的有限元分析
机械设计的有限元分析及结构优化
机械设计的有限元分析及结构优化摘要：有限元分析是机械设计中重要的工具，能够模拟材料和结构，通过将复杂的实际结构，离散成有限数量的元素，并利用数值计算方法，评估结构的各方面性能。
但是，进行有限元分析，并不能保证最优的设计，因此需要进行结构优化。
通过调整设计参数，寻找最佳的几何形状或材料分布，以满足给定的性能指标和约束条件。
基于此，探讨有限元分析和结构优化的相关内容，提出了以下观点，仅供参考。
关键词：机械设计；有限元分析；结构优化引言：有限元分析是一种重要的数值仿真方法，通过将复杂结构，离散为有限数量的小单元，可以对其进行力学行为和性能的模拟与评估。
结构优化则旨在通过调整材料、形状和布局等参数，以最大限度地提高结构的性能和效率。
有限元分析技术，在机械设计中的应用，涵盖材料力学、热力学、流体力学等方面的问题，因此需要进行深入的研究，以促进机械设计的发展和创新。
一、项目概况某公司是一家制造工程设备的企业，正在开发一种新型的机械设计。
为了确保该机械设计在使用过程中的安全性、可靠性和效率，最后决定利用有限元分析和结构优化，来进行设计验证和改进。
通过有限元分析软件对新型的机械设计，进行模拟和分析，以评估其在不同情况下的变化数据。
这可以帮助确定机械设计构中的薄弱点和缺陷，并指导后续的优化工作。
二、机械结构静力学分析（一）有限元方法运用有限元方法通过将结构离散化为许多小的单元，对每个单元进行分析，并将其连接起来形成整体结构，来研究机械结构的力学行为。
有限元方法的关键步骤包括以下几个方面：第一，将机械结构离散化为许多小的单元，以便更好地进行分析。
这些单元可以是三角形、四边形或其他形状的网格单元。
第二，在进行离散化后，需要选择适当的位移插值函数，来描述每个单元内部的位移变化。
常见的插值函数有线性插值函数和二次插值函数等。
第三，利用所选的位移插值函数，可以通过解决每个单元内部的应力方程，来计算单元的力学特性，如应力、应变和变形等。
机械设计中有限元分析的几个关键问题
机械设计中有限元分析的几个关键问题在机械设计中，有限元分析是一种非常重要的手段，它可以帮助工程师们对各种机械结构进行力学分析，并对其强度、刚度等性能进行评估。
但是，要进行有效的有限元分析，需要注意以下几个关键问题。
一、模型建立问题有限元分析需要建立虚拟模型进行分析，因此模型的准确性和完整性非常重要。
模型建立时需要考虑问题的几何形状、材料性质、加载情况等各种因素，还要按照实际的设计图纸来建立模型，以尽可能地反映真实的情况。
此外，还要注意对于不同类型的结构，建模的方法也有所不同，比如对于某些精密结构，可能需要采用复杂的三维建模软件进行建模。
二、单元选择问题有限元分析中，单元是构成模型的基本单位，单元的选择直接影响到分析结果的准确性和可靠性。
通常情况下，单元数量越多，分析结果越准确，但也会导致计算量过大，从而影响计算效率。
因此，应该根据具体情况选择适当的单元类型和数量，以保证计算结果的准确性和计算效率的平衡。
三、材料参数确定问题有限元分析中需要确定材料的弹性模量、泊松比、屈服强度、断裂强度等参数，这些参数对于分析结果具有至关重要的作用。
但是，要准确地确定这些参数并不容易，需要通过实验或者理论计算等手段获取，同时还要考虑不同材料在不同温度、压力下的性能变化，以保证分析结果的准确性。
四、加载边界条件确定问题有限元分析中，加载边界条件的确定也是关键问题之一。
边界条件的类型包括受力边界条件和位移边界条件，而边界条件的不同设置直接影响到模型的响应情况。
在确定边界条件时，需要考虑设计图纸、实际加载情况和分析需求等因素，以确定合理的边界条件。
五、分析结果正确性验证问题有限元分析的分析结果可能会受到材料参数、加载情况、边界条件等多种因素的影响，因此结果的正确性需要经过验证。
验证的方式包括：与实际测量结果比较、与其他分析方法比较、与实验结果对比等多种方法。
只有经过验证的结果才是可靠的，可以为后续设计提供准确的依据。
综合来看，以上的关键问题都是有限元分析中需要注意的问题，只有在这些问题上用心求真，才能保证有限元分析具有更高的准确性和可靠性。
基于有限元分析的农用采油机活塞固定装置强度改进设计
基于有限元分析的农用采油机活塞固定装置强度改进设计梅发娣;方梁菲【摘要】为方便农用柴油机在生产或使用中的安装、拆卸与维护,本文基于三维设计软件UGNX7.5中的高仿真模块NX.NASTRAN对的活塞固定装置作了设计改进,并应用有限元分析对该装置校核了其强度,然后又结合传统计算方法对此装置的强度作了校核对比,两种方法的校核计算结果几乎一致,从而验证了此设计的正确性与可行性,为此装置的进一步优化设计提供了理论参考.【期刊名称】《南方农机》【年(卷),期】2015(046)012【总页数】3页(P30-31,42)【关键词】农用柴油机;活塞固定装置;NX.NASTRAN;有限元;强度校核【作者】梅发娣;方梁菲【作者单位】青阳县农机局,安徽池州 247100;安徽农业大学,安徽合肥 230036【正文语种】中文【中图分类】TK42农用柴油机无论在生产过程中还是实际使用中需要对其安装、拆卸与维护，这时需将活塞总成固定在缸体上，以便于装配。
尤其是在柴油机试车提交完成后，在出厂发运进行拆机分解时，须先将活塞吊出缸体进行保养，再吊入每缸缸套内并在缸体上固定好，以便于到达相应船厂后的安装。
上述两种情况下，都需要将活塞方便、安全地固定在每一缸的缸体上，所以，需要为活塞设计一套满足上述要求的固定装置。
结合装配人员和使用人员对此装置的改进建议，在设计好该装置后，须进行强度及刚度校核，而现在企业和科研机构普遍都采用相关的有限元计算软件对机械零件的强度等进行分析计算。
当前常见的专业有限元计算软件有ANSYS、ABAQUS、MSC.NASTRAN等，但这些软件的机械CAD功能相对较弱，往往一些复杂模型的建模、出工程图等工作不容易完成，且对操作人员的要求也较高，一般只有专业的分析师才能方便使用[1]，因此，在企业中的推广有一定的局限性。
而UGNX7.5软件中高级仿真（NX.NASTRAN）模块也具备强大的有限元计算功能，且UG在企业中普遍使用。
有限元分析方法在活塞研究中的应用现状与发展趋势
Internal Combustion Engine &Parts0引言柴油机是目前国内外广泛使用的动力设备之一，在生产、生活各方面都起着十分重要的作用，但由于近年以来，国际竞争的加剧以及国际环境的恶化，由此对于柴油机的各方面性能提出了新的要求和指标。
活塞作为柴油机上工作条件最为恶劣的零部件之一，是影响柴油机整机性能的重点所在，于是便出现了围绕活塞的性能而展开的一系列研究。
随着近代以来，电子计算机技术的迅猛发展，运用计算机分析软件对于机械零部件进行分析运算，已经趋于成熟，并且应用广泛，现已深入到分析各类机械的零部件[1]。
运用大型的有限元分析软件，就机械负载、热能负荷、温度场等综合作用下活塞的应变情况，以及燃烧室的不同类型和位置对活塞性能的影响等进行分析，然后利用计算结果改善活塞的结构设计，进而研制结构合理、性能优良的活塞，业已成为现今国内外研究活塞的主要方向。
目前国内关于柴油机活塞方面的研究还处于初步探索阶段，而国外对于活塞方面的研究则较为成熟，而且许多研究技术和研究专利都被国外垄断，因此，就活塞的各方面性能进行有限元分析，对于完善我国柴油机发展领域、提高我国柴油机设计研发水平和打破国外在柴油机活塞技术上的垄断地位具有十分重要的作用和意义。
本文就目前关于柴油机活塞在有限分析方面所取得的一些成果和存在的一些缺陷进行对比分析，旨在探索出一条更为有效的分析活塞的研究道路，从而进一步拓宽活塞的各方面性能研究，弥补活塞研究现状中的不足。
1活塞的研究现状在柴油机运转过程中，活塞长期承受着周期交变的机械负荷和热负荷的作用，因此，活塞是柴油机零部件中最易出现故障的零部件之一。
活塞对柴油机的使用寿命、动力性能、稳定程度、经济状况等都起着举足轻重的作用。
目前国外对于柴油机活塞的研究较为完备，研究情况可以追溯到几十年前，如美国、德国、日本等都在活塞方面进行了深入而细致的研究，先后研制出了满足不同用途的多种柴油机活塞，使得活塞的结构也发生了巨大变化。
柴油机活塞有限元分析
图1 1/4活塞有限元模型■ 武汉大学/徐 辉柴油机活塞有限元分析有限元分析步骤分为三维模型制作，导入C AD 模型，设置材料属性，设置接触状态，设置边界条件，设 置求解类型、约束和载荷，指定输出结果，分析处理计 算结果。
本文通过柴油发动机性能摸底获取了发动机实际 运行中的缸内燃烧爆发压力18M P a ，假设活塞顶面最 高运行温度为375℃，发动机额定功率和转速为254k W / 1900r·mi n －1，最大转矩为1635N·m/1200r·mi n －1，用以上 数据作为FE A 分析的边界条件进行分析。
边界条件的处理边界条件处理是否合理直接影响计算结果是否精确。
对于高升功率和高燃油喷射压力的柴油机，进行燃 烧模拟估算进入缸套的热流量能够为有限元提供很好的 输入，但是通常供应商不具备这个能力，他们通常是参 照同等机型活塞开发的经验数据，对比机型的升功率、 燃烧爆压、燃烧室形状、换热系数，然后给一个相对合 适的输入。
当然，要想准确获得各个表面的换热系数十分困 难。
通常是在已有的经验公式基础上计算获得一个近似 值，然后通过多次计算，根据已有的试验数据再进行调 整。
也就是说，在进行过渡工况的温度场计算前，先要 进行几次稳定工况的温度场计算，以此验证边界条件是 否恰当。
实际上采用温度塞获取的温度场数据更真实，然后 再用温度场获得的数据修正有限元的分析并最终优化活 塞的设计是必要的。
模拟最坏的情况（最大功率、额定转速、最大爆压 18MPa 、最大测量温度）作如下条件假设：（1）只考虑温度。
（2）同时考虑温度和额定转速下产生的惯性力。
（ 3 ）考虑温度、惯性力和侧向力（曲轴转角 117°）。
（4）考虑温度、惯性力、爆压和侧向力（曲轴转 角250°）。
（5）考虑温度、惯性力、爆压和最大副推力侧侧 向力（曲轴转角344°）。
（6）考虑温度、惯性力、峰值爆压和侧向力（曲 轴转角367°）。
机械结构静强度有限元分析
有限元分析
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谢敏 １ （ 科技职业学院 河南周１４６０）ｌ 周口 ３ ６００
中图分类号：Ｈ ２文献标识码： ｉ Ｔ１ Ａ
经 随着 函 形式 。 有限元分析在工程设计 和分 析中得到 了 家 的浓厚兴趣。 过短短数十年的努力 ， 第 四步： 单元 推导 ： 对单元构造一 个适 合 越来越广泛的重视 ，已经成为解决 复杂的工 计算机技术 的快 速发展和普及 ，有 限元方 法 迅速从结构工程强度分 析计 算扩展到几乎 所 的近似解 ， 即推导有限单元 的列式 ， 中包括 其 程分析计算问题的有效途径 ，现在从汽车到 建立单元试 函数 ， 以 航天飞机几乎所有的设计制造都 已离不开有 有 的科学技术领域 ， 为一种丰富多彩 、 用 选 择合 理的单元 坐标 系 ， 成 应
主要设 备 的性能 指标 的 资料 和产 品合 格证 功 能 的相互 切换 试 验 ；根 据有 关 要求 进行 解决 的办 法 以及改 进和 加强 的措 施 ，并负 书， 隐蔽工 程 的施工 验收 记录 、 道通 水 冲 管 水 压试 验 和气压 试 验 ；对 报警 控 制装 置功 责组 织对 员工 的消 防安 全知识 教 育 ，开展 普 消火知 打 洗、 打压试 验记 录 、 水泵 等 消防用 电设 备 的 能进行 检验 ；报 警 阀功 能试 验 （ 开报警 多种 形式 的消 防业 务培训 ， 及 防 、 阀 ， 看测 量报 警动 作状 态 ， 出信 号情况 识 ，使 他们 了解 和 掌握 固定 消 防设 施 的性 查 输 和消 防水泵 启动 、 动 、 联 控制 盘显 示情 况是 能和 使用 方法 ；场所 内固定 消 防设 施 的管 查消 防水泵 、 泵接 合器 、 防水 池取 水 口 否 符合 检验 要求 ； 开放 水试 验 阀 ， 量水 理人 员应 当 由具备 较强 责任 心 、较高 的文 水 消 打 测 。 化程 度 、一 定专 业 知识 的工程 技 术人 员担 及 闸 阀 等 主 要 设 备 的 安 装 与 图纸 是 否 相 的流量 和压 力应符 合检验 要求 ） 任， 实行 持 证上 岗 ； 立 值 班 、 建 巡查 、 转 、 运 符 ， 用是 否 方便 ， 使 有无 正 确 的 明显 标 志 ， （ 健 全管理 制度 ， 三） 强化使 用的 管理 设 有固定 消防设施 的公共 建筑 ， 要建 立 档案 和测 试和 维护 保养 制度 ，确 保各 项设 有无外 观损坏及 明显缺 陷。
柴油机活塞有限元分析与结构改进
柴油机活塞有限元分析与结构改进作者：苏冠领张文强来源：《时代汽车》2023年第21期摘要：本文探讨了柴油机活塞结构的有限元分析及其改进方法。
通过建立活塞结构分析模型和设置边界条件，得到了活塞在不同工况下的应力分布情况。
在此基础上，分别探讨了加强筋设计、壁厚优化设计、拓扑优化设计和参数化设计等活塞结构改进方法，并分析了其优缺点，本文旨在为柴油机活塞结构的优化设计提供一定的参考依据。
关键词：柴油机活塞有限元分析结构改进加强筋壁厚优化1 引言柴油机作为一种重要的动力设备，其活塞作为核心部件，直接影响着发动机的性能和寿命。
因此，如何优化活塞结构以提高其性能和可靠性，一直是柴油机研发和制造领域的重要课题之一。
在过去的几十年中，随着计算机技术和有限元分析方法的不断发展，活塞结构的有限元分析和改进方法也得到了广泛的研究和应用。
本文将对柴油机活塞结构进行有限元分析，并针对不同的问题提出相应的改进方法，以期为活塞结构的优化设计提供一定的参考依据。
2 活塞结构分析方法2.1 有限元分析原理及方法有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是一种常用于工程领域中的数值计算方法，主要用于求解连续介质力学问题。
它通过将连续介质划分为有限数量的小单元，采用变分原理及相关数值方法，求解出每个小单元的物理量，进而得到整个连续介质的解。
有限元分析的方法一般包括以下几个步骤：（1）建立模型：建立模型是有限元分析的第一步。
将实际问题转化为数学模型，定义模型的几何形状、材料特性、边界条件等。
（2）离散化：离散化是将模型分割成许多小单元，每个小单元可以用简单的几何形状来表示，例如三角形、四边形等。
离散化的数量越多，计算结果越精确。
（3）设定节点自由度：在每个小单元中，选定一些节点作为计算的基准点，并规定每个节点上的自由度。
自由度通常包括位移、转角等。
（4）构建刚度矩阵：对于每个小单元，根据其几何形状、材料特性、边界条件等，可以求出其刚度矩阵，刚度矩阵反映了该小单元的刚度特性。
活塞有限元分析
1998年第19卷第2期华 北 工 学 院 学 报V o l .19 N o .2 1998(总第62期)JOURNAL OF NORTH CH INA INSTITUTE OF TECHNOLOG Y (Sum N o .62)活塞有限元分析Ξ周先辉 马 峻 李伯民 (华北工学院,太原030051)摘 要 运用现代设计分析方法,建立了一种活塞实体有限元模型.分析计算了一种新设计的直径100mm 柴油机活塞的温度场以及综合变形与应力.计算结果表明:活塞综合变形不呈轴对称分布,裙部过大的径向变形是造成活塞拉缸的主要原因;综合应力峰值出现在销座内侧及冷却油腔处,是造成活塞常见破坏形式(销座及冷却油腔开裂)的主要原因.关键词 活塞;有限元;内燃机中图分类号 T K 402 活塞是内燃机的重要零部件之一,它所处的工况条件很恶劣,其机械负荷与热负荷是影响活塞结构、关系发动机性能的主要因素.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等现象,热负荷往往成为柴油机进一步强化的障碍.因此,活塞机械应力与热应力及其相应变形的计算是活塞设计与制造的基础.本文利用工作站I 2D EA S 软件对新设计的一种直径为100mm 的铝合金活塞(LD 11)作三维应力和变形的有限元分析.1 有限元模型111 有限元网络图1 活塞实体有限元网络模型 对活塞的应力与变形作三维分析,在保证分析精度的前提下,为简化计算,看作其为对称性,取1 4活塞作为计算模型.把由特征模型建立的1 4活塞实体模型引入到有限元模型中,用网络自动生成技术产生有限元网络.对新设计的一直径100mm ,高120mm 的1 4活塞实体模型自动生成网络,其单元长度为6mm ,单元类型为线性四面体实体单元,曲线上单元偏移度为20%时,共产生9420个单元,2334个节点,经检测单元畸变小于0.01,网络模型图如图1所示.112 静力计算边界条件进行静力计算时,根据有限元理论,垂直于活塞1 4模型的两剖面上的全部节点位移均约束为0.另外,约束活塞销孔与活塞销接触部分的节点轴向位移,即销孔上素线上的节点沿活塞轴向位移约束值按活塞销变形位移值确定,从而模拟活塞销对活塞的约束[2].如此,活塞可向其两头和径向自由变形.113 传热边界条件在每次燃烧过程中,大约有燃料总发热量的2%～4%[1]的热量传到活塞上,传入活塞中的热量大部分是通过活塞环、活塞本体、活塞内腔表面内的空气润滑油雾以及冷却油腔中的机油带走的.本文论述的是具有冷却油腔的活塞与外界热量交换处于动态平衡时的状态,并计算活塞的三维稳态温度场.计算中取第三类传热边界条件[3]-Κ(5T 5n ) #=Α(T -T f ) #.换热系数Α和介质温度T f 根据经验公式、特征点温度实测值及计算结果估计.活塞顶面燃气的平均温度Ξ为(800～1000)℃,换热系数沿径向的变化范围为(250～600)W(m 2・℃);外侧汽缸套的温度沿轴向的变化范围为(250～100)℃,换热系数取(300～1000)W(m 2・℃);冷却油腔的温度为(80～120)℃,换热系数(1500～3000)W (m 2・℃);活塞内腔与油雾的换热系数Α自下而上取(100～210)W(m 2・℃),介质温度为曲轴箱内机油温度60℃;活塞销孔与活塞销之间等效换热系数为150W (m 2・℃),活塞销温度为70℃.114 载荷条件活塞的机械负荷有燃气压力、往复惯性力、侧压力三种.由于活塞往复惯性力方向与燃气压力方向相反,往复惯性力削弱了燃气压力的作用,因此为保证新设计的活塞具有足够的安全系数,计算时不考虑活塞的往复惯性力.活塞所受的侧压力根据实际情况对结构破坏并不起明显作用,可以忽略.分析发动机示功图可知,对柴油机而言,最高燃烧压力p z 一般在(14～17)M Pa 范围内.由于活塞头部与汽缸间的间隙节流作用,在第一环岸周围的气体压力为0.9p z ,第二环岸周围的气体压力为0.2p z ,其它环岸周围的气体压力忽略不计.计算中取p z =14M Pa ,并垂直加于活塞顶面实体单元自由面上.垂直第一环岸上表面实体单元自由面压力取12.6M Pa ,垂直第二环岸上表面实体单元自由面压力取2.8M Pa ,垂直火力岸表面实体单元自由面的压力取13M Pa .活塞的热负荷根据温度场的计算结果自动转换为节点温度和温度梯度,加在所有单元的节点上.2 温度场计算结果活塞温度场如图2所示.由图2可见,活塞温度分布基本上呈轴对称,活塞销对活塞温度分布的影响很小.燃烧室中心与边缘温度分布最高(310℃左右),冷却油腔明显降低了活塞温度,改善了第一环槽处的温度分布状况,活塞裙部温度分布较低,裙底温度基本相同(最低温度148112℃).3 应力与变形计算结果311 机械应力与机械变形图2 活塞温度场图3 活塞的机械应力 活塞承受燃气压力后其变形是不均匀的.在活塞销侧断面上,由于销座刚性较大,加上轴向约束作用,活塞裙部的变形较小;在推力侧断面上,裙部较薄,又无轴向约束,因而裙部变形较大.活塞顶面上靠推力侧断面一侧的轴向位移大于靠活塞销侧断面一侧的轴向位移,活塞两侧轴向位移相差38.7Λm ,使活塞顶面呈弯曲变形,靠顶面下榻一侧的活塞环槽壁向内挤压,而靠顶面拱起一侧的活塞环槽壁向外翘曲.活塞裙底,在推力侧断面上向内挤压,向内位移为35Λm ;在活塞销侧断面上向外翘曲,向外位移为36.4Λm .在活塞各部位产生的主应力如图3所示(最大主应力为86117M Pa ).由图3可知,在销座内侧上端处产生了很大的拉伸应力,这是从销座产生裂纹的主要原因.活塞顶面中央产生压缩应力,而在活塞顶中央内侧产生拉伸应力.冷却油腔左右两侧出现压应力,上下两端为拉应力且下端应力值高于上端.312 热应力与热变形活塞头部的热变形基本呈轴对称分布,活塞顶部及火力岸区比活塞环槽部分发生更大的轴向变形,271华 北 工 学 院 学 报1998年第2期轴向变形导致活塞顶向外弯曲.各横截面外圆周线上节点的径向变形逐渐减小,热变形后头部变成倒圆锥形面.在活塞裙部,各个横截面外圆周线上节点的径向变形不一致,推力侧断面一侧的径向变形小于图4 活塞的热应力活塞销侧断面的径向变形量,因此活塞裙部横截面热变形后呈椭圆状,长轴为销孔轴线方向.活塞纵剖面中外型面素线上的节点径向变形量由上至下逐渐减小.因此,裙部为正圆柱型面活塞,热变形后成为横截面为椭圆的近似倒锥形.由热应力分布(图4)可看出(最大主应力74.08M Pa ),由于冷却油腔的强制冷却作用及冷却油腔的结构、形状、尺寸等因素,该处热应力明显集中,冷却油腔下端热应力明显高于上端,最大热应力点位于油腔下端圆弧上靠外侧处,这是造成冷却油腔向外开裂的主要原因.活塞头部的热应力基本呈轴对称分布,无过度圆角处热应力明显增高,裙体的热应力很小.313 综合应力与变形将机械应力、机械变形分别与热应力、热变形迭加,得到活塞的综合应力与变形值.迭加后活塞的变形不呈轴对称分布,活塞顶面上靠推力侧断面一侧的轴向位移小于靠活塞销侧断面一侧的轴向位移,两侧轴向位移差45Λm ,使顶面呈弯曲变形.在活塞销侧断面上外型面素线上的节点径向变形由顶部至裙底逐渐减小,在推力侧断面一侧,活塞外型面素线径向变形为负值(向内变形),横断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,最大径向变形量0.865mm ,最小径向变形量0.352mm .由I 2D EA S 后处理应力图知,活塞综合应力峰值位于冷却油腔下端及销座内侧处,冷却油腔下端应力峰值为92.8M Pa ,销座内侧上端应力峰值为120M Pa ,这是造成活塞常见破坏形式的主要原因.4 结 论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.销座内侧以及冷却油腔处应力峰值是造成活塞常见破坏形式的主要原因,销座内侧开裂主要由机械负荷引起,冷却油腔开裂主要由热负荷引起.活塞顶面设计应尽量避免尖角,否则该处热应力将明显增大.参考文献1 西安交通大学内燃机教研室.柴油机设计(上册).西安:西安交通大学出版社,1995.45～822 林宝阳.组合式活塞的一种实体有限元模型与分析.内燃机工程,1997,(18):65～693 邱士均.分体式活塞结构热传导特性分析.北方交通大学学报,1996,(8):449～453F I N IT E EL EM EN T ANAL YS IS O F A P ISTONZ hou X ianhu i M a J un L i B o m in(N o rth Ch ina In stitu te of T echno logy ,T aiyuan 030051)Abstract A pp lying m odern design and analysis m ethod ,a so lid fin ite elem en t m odel of p is 2ton is p resen ted in th is p ap er .U sing th is m odel ,the tem p eratu re field ,resu ltan t stresses and defo rm ati on of the p iston designed fo r a new diesel engine have been p redicted .T he re 2su lts show that the resu ltan t defo rm ati on is no t ax ially symm etrical ,too m uch diam etrical defo rm ati on on p iston con tou r p art is the cau se of p u lling cylinder ,the p eak value of resu l 2tan t stress in side the p in base and on the coo ling o il ho le is the reason of p iston comm on de 2stroying (the b reak ing of p in base and coo ling o il ho le ).371(总第62期)活塞有限元分析(周先辉等)。
基于RecurDyn和Ansys Workbench的活塞强度分析
基于RecurDyn和Ansys Workbench的活塞强度分析作者：王小兵刘保安王玉芝一、引言某款发动机是公司最近攻关的难点，其曲轴系动力学、曲柄连杆机构静强度计算是公司基础研究项目的重要内容。
从资源使用角度考虑，分别采用了多体动力学仿真软件RecurDyn和高端通用机械分析程序Workbench进行分析。
RecurDyn进行的运动学/动力学计算结果可作为相关部件强度计算的载荷输入数据，这是活塞强度分析的数据准备工作。
活塞作为发动机最重要的部件之一，所处的工作条件也相当恶劣：高温、高速、高负荷、润滑不良、冷却困难等。
因此它也是发动机中故障发生率较高的零件之一。
在工作中，活塞除受高温燃汽的加热作用外，还受到气体压力、往复惯性力和连杆在倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用。
这些外部载荷通过软件模拟可以得到量化工作过程中活塞应力分布，并可评估活塞的强度是否满足使用要求，并为活塞设计提供参考。
本文应用多体动力学方法和有限元方法对某款发动机活塞进行强度分析，通过分析结果评估热负荷与机械负荷对活塞应力分布的影响，确定高应力区域，并为设计提供参考。
二、某款发动机曲轴系多体动力学建模某型号发动机是一款133排量的发动机。
将CATIA产生的曲柄连杆机构三维实体模型不经简化直接以STP格式导入RecurDyn软件。
在模型中忽略油环衬套、活塞环等零件，与其他零件相比，这些零件的质量很小，对运动学/动力学计算结果的影响可忽略不计。
曲柄连杆机构的CATIA模型如图1所示。
导入RecurDyn软件的模型如图2所示。
曲柄连杆机构的CATIA模型曲柄连杆机构多体动力学模型将滚针轴承的滚针和支架合并为一个零件，模拟整个滚针轴承。
根据连杆机构的实际工作情况，模型中采用的约束方式与施加的载荷条件为：◎活塞与地面间：Translational(平动);活塞与活塞销间：Revolute(转动)。
◎活塞销与连杆小端间：Revolute;连杆大端与曲柄销间：Revolute。
发动机活塞有限元计算分析
活 塞是发动机工作 条件 最严酷的零 １ 活塞计 算参数及有 限元网格
活 塞 有 限 元网 格 如 图 ｌ所 示 。
部件之 ，它的设 久性 以 及 排 放 性 能 。
活 塞 计 算 参数 设 定 如 表 １所 示 。
２．４ 复合应力
由热 负 荷 和 机 械 负 荷 引 起 的 复 合最 大 置 应 力 如 图 ５所 示 。
图 ２ 计算的温度分布 ·叮以 看 出 ， 活 摩 最 高 温 度 出 现 活 窄 顶 面 和 燃 烧 审 宅 边 缘 处 ， 为 ３０ｌ Ｃ，最 低 温 度 出现 活 塞 裙 郎 ， 为 １ ５４℃。整 个模 型 最 高温 度和 最 低温 度 车Ｉ｛ 茺 １４７ Ｃ，温 差 较 小 ，活 塞 热 应 力也 较 小 。 ３ ＩｆＩ最 人 热 应 力 计 算 结 果 也 证 明 ｒ 达 ·点 。 活 塞 内 冷 油 腔 干丁效 的 降 低 ｒ活 塞燃 烧 事 底 部温 度 ，降 低 了活塞 热 负 倚 。
活塞 部位 活 塞 顶 部 第 ·环 槽 销 座 销 孔
预 测值 １．４９６ ３．３３９ １．８８３ ２．０３１
此 处 足 活 塞 温 度场 变 化最 大 的 地 方 ，同
时 也 承 受 着 发动 机 燃 料爆 发 压 力 冲 ，
从 计算 结 果 来看 ，活 塞 疲 劳 系数 最
３ 结论
ｌ
Ｔ
本 文 利 用 有 限 元 分 析 软 件 ，对 活 塞
温 度、热应力、热变 、复合应 力、复 ；
图 ３ 热最 大主 应 力
合 变 型 、疲 劳 寿命 和疲 劳 系数 进 行 计算
ｌ 缸 径 Ｘ 行 程 （ｍｍ）
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。
案例4 零件强度的有限元分析
1.1 有限单元法的概念 基本思想:借助于数学和力学知识，利用计 算机技术而解决工程技术问题。 Finite Element Method -_FEM
Finite Element Analysis
4
工程分析： 主要通过计算机，利用数值分析方法进行辅助工 程分析，是 CAD 中应用最早、卓有成效的领域之一。 分析的关键是在三维实体建模的基础上，从产品的方 案设计阶段开始，按照实际使用的条件进行仿真和结 构分析；按照性能要求进行设计和综合评价，以便从 多个设计方案中选择最佳方案。 计算机辅助工程分析: 通常包括有限元分析、优化设计、仿真（模拟分 析）可靠性分析、试验模态分析等。
后置处理内容： （1）数据输出： 将结点位移、单元应力按设计者的意图整理输出，还可从大量数据中筛选出 关键的有用数据，按用户要求的格式输出规格化的数据文件。 （2）图形显示： 图形显示和绘图可形象直观地表示有限元模型和计算结果，可帮助设计者迅 速了解研究对象的特征，从而对修改模型作出判断。图形显示包括有限元网格图、 结构变形图、等值线图以及振型图等。等值线有应力等值线图、位移等值线图、 等高线图和温度等值线图等，其中在工程结构分析中，以应力等值线图应用最多。 等值线图可在彩色屏幕上用不同的颜色加以形象化。下图所示为一曲面的彩色等 高线图。
有限元分析法
有限元分析法： 是力学与近代计算机技术相结合的产物，是一种 解决工程问题的数值计算方法，1960年美国Clogh教 授首次提出“有限元法（The Finite Element Method）”的概念。
分类 有限元法包括有限元建模和有限元分析两部分， 目前它们已成为建立分析模型、共享数据的有效途 径，是解决各种工程实际问题的便利工具和有效手 段。 应用 有限元法可以处理任何复杂形状、不同物理特性、 多变的边界条件和任何承载情况的工程问题，广泛 应用于场强（力场、电场、磁场、温度场、流体场 等）分析、热传导、非线形材料的弹塑性蠕变分析 等研究领域中。
柴油机活塞和连杆运动的有限元分析
柴油机活塞和连杆运动的有限元分析聂建军⑴ 杜发荣⑵ 袁 峰⑴ 张海英⑵ 范小彬⑵⑴453002 新乡内燃机厂⑵471039 河南科技大学 摘要 本课题基于运动弹性动力学理论以及有限元分析方法,利用美国S DRC 公司的I 2DE AS 软件,对含运动副间隙的X N2110柴油机的活塞、连杆机构建立了动力学模型;运用KE D 分析中的“瞬时结构”假定,计算出了柴油机膨胀冲程19个瞬时结构条件下的位移、应力、应变,求出了机构的动态响应,得到了用KE D 法求出的活塞弹性变形值,从而为柴油机实现精确控制提供了可靠的理论依据。
Abstract On the basis of m odern theories of vibration ,KE D analysis and finite element method ,a kinetic m odel of piston 2linkage mechanism of X N2110diesel engine was set up by I 2DE AS s oftware of S DRC US A.By the presumption of ”transient struc 2ture ”in KE D analysis ,the mechanism ’s stress ,displacement ,strain ,m odes ,frequency and the dynamic responses in nineteen transient structure conditions during the expanding stroke are calculated ,and the difference of piston elastic deformation between KE D or KES value are als o g otten. 关键词:柴油机 KE D 活塞 弹性变形 传统的内燃机机构设计、计算中,都是将曲柄连杆机构构件作为刚性件来处理,而且不考虑运动副的间隙。
柴油机活塞热负荷的试验研究及其有限元分析
柴油机活塞热负荷的试验研究及其有限元分析3孙 平 张 玲 王为成(江苏大学汽车与交通工程学院 江苏镇江 212013)摘 要:用硬度塞法测量了YZ4105QF柴油机活塞的温度场,利用Pr o/E软件建立了活塞的几何模型,借助有限元分析软件Hyper mesh和ANSYS对其进行了温度场分析计算,计算结果为活塞的结构改进和优化提供了依据。
关键词:柴油机 活塞 有限元分析 温度场中图分类号:TK421+.1 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2008)03-0059-04Exper im en t a lM ea sure m en t and FEA for the Ther ma lL oad of the P iston i n D i esel Eng i n eSun P i n g,Zhang L i n g,W ang W e i chengSchool of Aut omobile and Traffic Engineering,J iangsu University(Zhenjiang,212013)Abstract:The te mperature field of the p ist on in YZ4105QF diesel engine is experi m entally measured by using the hardness p lug method.And the s oft w are Pr o/E is used t o set up a geometry model of the p ist on.The te m2 perature field of the p ist on model is calculated by FEA s oft w are Hyper mesh and ANSYS.The results p r ovide supports for the further op ti m izing of the p ist on.Keywords:D iesel engine,Pist on,Finite ele ment analysis,Te mperature field引言活塞作为柴油机最主要的受热零部件之一,由于受热面积大,散热条件差,因而其承受很高的热负荷。
发动机活塞组的耦合有限元分析_王文竹
液、润滑油、曲轴箱内油雾以及自由环境之间的换热系数和相应
温度。在确定边界条件时，先参照经验或半经验公式（一般采用
Eichelberg 公式），得出初始值，并对比计算结果和实验结果来不
断修正边界条件，使最终计算结果与实测结果更好地符合，从而
提高计算的准确性和精确度，同时也为进一步的热分析提供较为
精确的边界条件。
一环槽处温度约为 255℃左右；活塞销座处最高温度大约为 240℃；内腔最高温度度大约为 279℃。
图 2 活塞 Von Mises 应力图
图 3 活塞变形图
3 温度场的有限元分析
当发动机达到一定的转速时，活塞顶表面温度变化很小，因
此可将活塞温度场近似地认为是稳定温度场。
固体内部的热量传递满足热传导方程为：
关键词：活塞组；有限元；HyperMesh；接触 【Abstract】The three-dimensional model of a turbo-charging engine piston Assembly is established by Pro/E. The FEA is completed respectively under the action of menhaninal load and hot load and cou－ pling load. The results indicate the stress distribution and deformation instance，which provide the theoreti－ cal evidence for piston structure improvement and optimum design. Key words：Piston assembly；Finite element；HyperMesh；Contact
活塞压缩机压缩连杆有限元分析(1)
体力 、往复运动质量的惯性力以及由于自身摆动所
产生的惯性力 。
图2
( 3 )综合活塞力
P =I+F
(6)
( 4 )连杆所受力
由图 2可知 ,连杆受力 FL 为综合活塞力沿连杆
方向的分量 ,可得
FL = Pcosβ
(7)
31113 几个典型工况
本文选取的研究对象为一级压缩连杆 ,对应的
工况参数为 :吸气压力 1192 MPa,排气压力为 4105
图 4 连杆受力图
由式 (7)可得连杆受力图 ,由图可见 ,当曲柄转 角为 2512°时 ,连杆拉力达到最大为 20560416 N。
( 4 )最大压缩连杆力工况 当曲柄转角为 22312°时 ,对应的连杆最大压缩 力为 - 19691811 N。 通过对上述 4种工况的分析比较 ,可以看出 ,最 大活塞力和连杆力见表 1。
( 2 )气体力
并转成为. x_t文件后导入有限元通用计算软件中计
F = Pi ·S
(5)
算 。为了缩小解题规模 ,提高计算速度 ,模型中去除
了部分圆角及倒角 。本文采用四面体单元进行网格
划分 (图 1b) 。
3 连杆力学模型的建立
311 工况及载荷计算 31111 运动分析
由图 2运动简图及曲柄连杆机构运动规律可推 得
( 2 )最大压缩综合活塞力工况 由综合活塞力图可得最大压缩活塞力出现在曲 柄转角为 22312°,对应的活塞力为 - 19878112 N。 根据式 (7) ,求出对应的连杆力为 - 19691811 N。 ( 3 )最大拉伸连杆力工况
实测的方法来确定 ,但根据工程计算的成熟经 验 [ 3 ] ,本文计算采用如下载荷分布模型 : 接触面处 的载荷沿连杆厚度为均匀分布 ,在连杆平面内按余 弦规律分布 。以小端为例 ,其载荷分布如图 6所示 。
基于有限元分析的活塞裙部对发动机性能影响的可行性的研究探索
249作者简介：苌悦（1992— ），女，汉族，河南荥阳人。
主要研究方向：热能与动力工程。
汽车行业发展速度越来越快，对环境造成的影响也日益受到人们的重视。
活塞也被具有更高的要求，更好的耐热性能，更高的强度，更耐压，刚度和强度也更高，发动机运转噪声更小，摩擦更少，各个刚与活塞之间更贴合，因此对活塞的设计和制造提出了更高的要求。
另一方面，发动机的技术日新月异，不断进步，活塞的工作条件越来越严格，使得活塞变得尤为重要，尤其是活塞裙部对发动机性能影响越来越多。
一、活塞结构及裙部型面由于活塞的工作条件不好，温度高，散热困难以及润滑不良，在工作过程中会受到与多因素影响。
活塞在工作时，受到各种气体和压力的作用，发生变形，活塞裙部表面也发生了改变。
活塞在如此复杂的工作条件之下，其简单的外形无法满足其工作要求，活塞裙部的设计与工艺就显得尤为重要活塞顶部气环能够同时承受一个燃烧燃料气体的巨大压力,是一个大型内燃机组的油环和一个燃烧室的重要结构组成的一部分,活塞顶部安装加工气环是指从安装活塞顶部到气室油环槽下部两端面之间的部分。
活塞裙的底部装置位于整个活塞的下端头部之下,是一种形式从头部油环槽下端开始面向头部活塞最下端的一个部分,其上方已经打开了一个位于活塞的头部销动底座排气孔。
二、活塞热力状况与裙面影响因素分析活塞的工作环境极其复杂，内部的流体及热力状况变化比较多，而且持续运转，活塞主要能够承受着在高压高温燃烧前后气缸的体力、往复式的惯性驱动力、连续拉杆力、裙部侧面的压力、油膜间的摩擦力和高压燃烧后的气体在低压高温下的高速旋转运动。
燃烧瞬间压力作用于汽缸活塞上的可燃气体瞬间压力往往是非常高。
传动活塞主要是在一个汽缸内以很快的旋转速度运动做为液体往复运动,产生了很大的液体惯性附加力,使得这种活塞能够承受了很大的液体惯性力和附加力的载荷。
汽缸内的液体燃烧室和气体中的压力和由于活塞的连杆往复运动惯性的压力均因此呈现出一种周期性的径向变化,同时,活塞也由于需要同时承担在连杆上运动方向快速倾斜的特定位置上汽缸侧面的压力所因而产生的一种周期性径向冲击。
基于Proe的活塞有限元分析实例
基于Proe的活塞有限元分析实例目录一、力边界下活塞的有限元分析 (1)1.指定材料：点击材料分配工具，在弹出的对话框中点更多 (2)2.约束确定 (4)3.载荷施加 (5)4.新建静力分析 (8)5.结果查看及分析 (9)二、热分析 (12)1.概述 (12)2.添加热边界条件 (14)3.新建热分析 (16)4.结果查看及分析 (17)三、热力耦合 (20)1.热载荷施加 (20)2.静态分析 (21)3.结果查看 (23)四、敏感度分析 (25)1.增加设计参数 (25)2.定义敏感度分析 (27)3.结果分析 (28)4.温度敏感度分析 (30)五、优化分析 (31)1.新建优化设计 (31)六、压力分析结果 (33)七、热分析结果 (36)八、敏感度分析结果 (38)九、优化设计结果 (39)一、力边界下活塞的有限元分析建好模型后，进入分析模块1.指定材料：点击材料分配工具，在弹出的对话框中点更多弹出对话框中选择新建对话框中输入如下ZL109材料的参数，并切换到热标签，输入参数确定后返回到材料出选择ZL109，点击确定将材料分配给活塞，因为文档中只有一个零件，所以自动分配好。
2.约束确定选择位移约束工具，曲面选择销座圆孔面，将其三个平移自由度和三个旋转自由度设置为固定3.载荷施加柴油机活塞的顶部与环岸燃气爆发压力一般简化为均匀分布在其表面,所示，而且一般情况下施加于活塞的第一环槽底部的压力为气体压力的76%，而施加到第一环岸和第二道环槽上面及下面的压力为气体残压的25%，到第二道环槽底时只剩下20%的气体残压施加到其上，由于燃气不断膨胀，压力越来越小，能到达第二环槽以下的残余燃气压力变得特别的小，基本可以忽略不计。
选取最大爆发压力工况作为计算工况，所受载荷有最大爆发压力、活塞往复惯性力和活塞销座分布力的作用。
按照前述计算，并选择面施加气压选择压力载荷工具，打开的对话框中选择顶面，燃烧室各面及火力岸，压力载荷为前述计算的最大气压继续添加载荷惯性力的施加以加速度的形式加载，按照惯性力计算Fj=-maa=-Fj/m=21397mm/sec^24.新建静力分析选择分析和设计研究工具，新建静态分析输入如下设置，并确定在stru选中下，点击运行，几分钟后计算结束5.结果查看及分析在stru选中下，点击结果查看弹出的对话框中选择应力，确定并显示图1力边界条件下活塞应力云图（单位MPa）由图可以看出, 活塞受到气体的爆发压力和往复惯性力的作用, 它们的共同特点就是都沿着活塞的轴线方向作用, 所以活塞的轴线方向承受着极大的载荷。
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随着 社会 工 业化 的发 展 ， 车发 动 机 性 能要 求 汽 日益 提高 。活塞 组作 为 内燃机 的关 键 部 件， 为发 作 动 机 中工 作 条件 最 严酷 的零 部件 ， 的结 构 和所 处 它 的工作 环 境 十分 复 杂， 在工 作 状 态下 受 到高 压燃 气 压 力 、 速 往 复 运 动 产 生 的 惯性 力 、 向压 力 和 摩 高 侧
气 缸 内工质 作用 在活 塞上 的总气 体压 力 Ｐ 为 ：
Ｐ ＝ Ｇ Ｐ Ｐ — ０
２
内 燃 机 与 配 件
２１ ０ １年 第 ｌ 期 ｌ
作用 在 曲柄 连杆 机构 上 的力 Ｐ为 ：
Ｐ＝ Ｐ Ｐｊ
式 中 ，。 Ｐ 为缸 内绝 对压 力 ， ＝ ． ＭＰ ；ｏ Ｐ ８９ ａ Ｐ 为 大气 压力 ． 一般 取 ０１ＭＰ 。 ． ａ
其 中 入为 曲柄 半 径 和 连 杆 长 度 的 比 ． ＝ ．５ ｒ ｈ Ｏ３ ：
为 曲轴半 径 ，＝ ０ｍｍ， ｎ＝ ｒ ｒ４ Ｘ￣ ２。 ｘ
２２ 活 塞 瞬 时速 度 ．
的 力 Ｐ只要 研 究 气 体 压 力 和 机 构 运 动 质量 的惯 性
力。
根据 活 塞 的位 移规 律 ， 曲轴 转 角 仅求 倒 得 到 对 活塞 的 瞬时速 度 Ｖ 随 曲轴 转 角 ｏ 的变化 规律 ： Ｌ
１ 本 文 设 计 所 需 汽 油 机 性 能 参 数
４２ ６Ｑ汽油 机是 四冲程 、 列式 的普 通 车用 内燃 直
机 ， 活 塞行 程 为 ８ ｒｍ， 缩 比为定 ７ ｌ ， 均有 其 ０ ａ 压 ～２平
效 压 缩 比为 ０８ １ ａ ． ． ＭＰ ，额 定 转 速 为 ５ ０ ／ ｉ ， — ２ ０ ０ｒ ｎ ｍ 活塞 平均 速度＜１ ｒ ｓ最高 爆发 压力 为 ８ ＭＰ 。 ８ｎ ． ／ ． ａ ９
度 ， ＝０８ １ ） ＝ ２ Ｈ （．～ ． Ｄ ６ ｍｍ；Ｐ为 活塞 的密度 ，在 此处 ０
用共 晶铝硅合 金 ６ 一 ， ６ ｌ 密度 为 ２７ ／ 。 ． ｃ ｇ ｍ。 经过 估算 得 到 ｍ＝ ３１ ，当然这个 数 值与 实 际 ｉ ． ９ ｇ
值有 很 大误 差 ．实 际应 用 时我 们可 以通过 ＰｏＥ软 ｒ／
探 究 活 塞 的设 计 及 其 在 机 械 负 荷 作 用 下 的变 形 是 十分 必要 的＿ ２ ｌ 。
２４ 力学 计算 ． ２ ． 往 复惯 性力 ．１ ４ 活 塞质 量 记 为 ｍ。活 塞 的质 量在 估 算 时 ， 活 ｉ 将 塞 当作薄 壁 圆筒处 理 。 ｍ＝ ｒＤ － 一 ｔ ］ ／ ｊｐｒ ２ ｆ ２） Ｈ ４ ［ Ｄ 其 中 ｔ 活 塞 的厚 度 ， ＝ 为 ｔ ３ｍｍ； 为 活 塞 的 高 Ｈ
２ 运 动 学 计 算
２ １ 活 塞 位 移 ．
件轻 松得 出活塞模 型 的准确 质量 。用公 式 ：
Ｐ＝ ｍ ｔ （ｏａ ｈ ｏ２ ） ｊ一 ｙｏ ｃｓ ＋ ｃｓａ 即可 以计 算 出 活 塞 连 杆 小
头 的往 复惯性 力 随 曲轴 转角 的变 化规律 。 最 大往复 惯性 力为 ：
郭 一 平 张 翼
— — — — — — —
赵 洁 申小艳 ：６ Ｑ 活塞 机 械 强 度 的 有 限 元 分 析 ４２
《 设计研究 ４
ｄ— —ｆ — — — — ｆ
４２ ６ Ｑ活塞机械 强度 的有 限元分析
４ ２Ｑ Ｐｓｏ ｉｉ ｌｍｅ ｔ ｎ ｌｓ ｆ ｈ ｃ ａ ｉａ Ｓ ｒｎ ｔ ６ ｉ ｎＦ ｎｔ Ｅ ｅ ｎ ａｙ ｉ ｏ ｅＭｅ ｈ ｎｃ ｌ ｔｅ ｇｈ ｔ ｅ Ａ ｓ ｔ
郭 一平 张 翼 赵 洁 申小艳
（ 中北 大学 ）
［ 要 ］ ４ ２ 发 动机 活塞组 主要 零 件 （ 摘 对 ６Ｑ 活塞 头部 、 活塞环 、 活塞销 ） 用 Ｐ 运 ＲＯ／ Ｅ进 行三 维 结
构设计 ． 通过 ＡＮＳ 并 ＹＳ有 限元进行 结 构 强度 分析 ， 且在 必要 时提 出结构 改进 方 法。 并 ［ 关键 词 ］ 活塞 有 限元 结构 强度 分析
ｉｘｒ） １ 入 ＝ ．８ ｌ ４ ｓ ＝ｏ （＋ ） １ ｘ Ｏｎ ｚ ｍ ４ ｄ
擦 力 等 周 期 性 载 荷 作 用 ， 生 机 械 应 力 和 机 械 变 产
形 。 致 活 塞 产 生 裂 纹 、 塞 环 胶 结 以及 拉 缸 等 ｌ 导 活 １ １ 。 它 的设计 是 否合 理 ． 直 接关 系 到 高速 内燃 机 的工 将 作可靠性 、 使用 耐 久性 和 内燃 机 的排放 性 能 。因此
Ｖ∞ｎ争ｉ ］ ＝［ ＋ｓ ｒｉ ｎ ｓ ２
２３ 活塞 的加速 度 、 ． 最大 加速 度
根据 活 塞 的 瞬时 速度 规 律 ， 曲轴转 角 ｏ求 导 对 ｌ 得到 活塞 的加 速度 ｉ 曲轴转 角 １ 的变 化规律 ： 随 ３ ［ ．ｒ） ｅ ｓ ＋ ｅ ｓａ） ｊ ‘ （ｏｃ ｈ ｏ２ ＝Ｉ ｘ
２５ 发动 机有效 功 率 ．
从发 动机 有效 功 率公式 来 看 ， 当缸 径 Ｄ、 数 ｚ 缸 和 冲程数 丁已选定 时 ， 燃油 经济性 最佳 的前 提下 ， 在
Ｐ， － ｙ ｏ（ ＋ ｉ ￣＝ ｍ ｔ １ ）
根据 活 塞 的运 动规 律 ， 算 出活塞 的位 置 随 曲 计
轴 转 角 的变化 规律 ：
、
ｘ ｒ １ ｃｓ ） （－ ｏ￣） ＝ 【 一 ｏａ ＋ （ １ ｃｓ ］
二
２ ． 合 力 的计算 ．２ ４
忽 略机 构 摩擦 阻 力 ， 作用 在 曲柄连 杆 机构 上 则