柴油机活塞有限元分析与结构改进

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中图分类 号 ：Ｈ１ ，Ｋ １ 文 献标 识码 ： Ｔ ６Ｔ ３ Ａ
第 ９期 ２１ ０ ０年 ９月
文章编号 ：０ １ ３ ９ （０ ０）９ ０ １ — ２ １０ — ９ ７ ２ １ ０ — ０ ９ ０
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄｅ ｉ ｎ ｃ ｉｅｙ ｓｇ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆｃｕｅ １ ９
柴油机 活塞有 限元分析与结构 改进 冰
计算时间更长 。在形状复杂和温度变化剧烈的地方 与耐久性 ， 就要保证各零部件的工作 可靠性。而活塞是内燃机 中 计算机资源 ， 把单元划分得小一些 ， 而在其余地方则可 以将单元适当划分大一 工作条件最严酷的零件之一ｌ 活塞工作 时， ｌ ｌ 。 顶部承受 了很高的气 这 又 ２ １ 。 体压力 ， 而且受到活塞组往复运动的惯性力及连杆倾斜位 置时侧 些 ， 样 既能 再 现模 型 ， 能保 证计 算 精度 ［ 进行 有 限元 分 析 时 ， 如图 ２ 所示 ， 该模 型共生成 １ １５ ２ ２６个单 压力 的周期性 冲击 。在气体压力 、 往复惯性力和侧压力的综合作 生成十节点 四面体网格 ， 元 ，８ ３０个 节点 。 １３ ７ 用下 ， 活塞承受 巨大 的机 械负荷 ， 成了活塞变形 、 造 活塞裙部磨
２有限元模型构建
２１几 何模 型 的建 立 。
本 研究 运 用 ＰｏＥ软 件 建 立 ４ ５柴 油 机 活塞 模 型 ， 部 为 浅 ｒ ／ ９ 顶 盆 形燃 烧 室 。考 虑 到该 活 塞关 于 垂 直 于销 孔轴 线 的面 对称 ， 此 因
图 ２ 活 塞 网格 划 分 睛况
３活塞 热负荷 分 析
图 ４ 活塞热 血 力分 布
销座孔内表面中间两侧处 ，而小是出现在销座内侧上表面处 ， 这
主要是加强筋形状的缘故 ， 增大了上表面的弹性 ， 改变 了活塞应
力场分布状态。在活塞头部和环岸及环槽区， 其耦合应力主要 以
热应力为主 ；主。为此应合理设计销座壁厚及形状 ， 改善机械应力分布情况。
过 试 验 测 出示 功 图 （ 曲线 ） 燃 气 温 度 图 （ ｐ 和 曲线 ）然 后 ，
只建立活塞的 １ ／ ２实体模型 ， 如图 １ 所示 。
利用经验 或半经验 的公式计算 出活塞边界的外 围介质温度和换
图 １活塞 实 体 模 型
热 系数 。通 过计 算得 活 塞 热边 界 条件 具 体数 值 ， 表 １ 如 所示 。
表 １活 塞热 边界 条件
第９ 期
销座内侧上部边缘 出现局部应力集 中现象 ， 此处应力值最大达到
１０ 活塞 最 大变 形 量出 现在 垂直 于 活塞 销轴 线方 向的裙 部下缘 ， 。 １
最大变形量为 ０ ３ ８ 并且发生向内的收缩变形 ， ． ９， ０ 顶部发生 向外
的扩 张变 形 。
ｌ 引言
柴油机是中型拖拉机 、 发电机组 、 固定作业 、 工程机械 、 农用 车、 轻型卡车及船舶等 的理想动力。为保证柴油机的工作可靠性
２２网格 划分 ＿
将所建模型导入 Ａ Ｓ Ｓ软件 中， ＮＹ 划分 网格 一般来说有 限元 单元划分越小 ， 计算精度就越高 ， 但单元数 目太多会耗费更多的
３１热边 界 条件 ．
合理确定热边界条件是进行活塞热负荷分析的关键 ， 热边界 条件 的确定直接关系到活塞温度场的准确性 ， 进而决定热应力和 热变形的准确性。活塞热边界条件通常选用第三类边界条件， 即给 定边 界的外围介质温度 和换热系数 。主要确定各边界与燃 气、 冷却水 、 冷却油、 自由环境之间的换热系数 和相应温度 。可通
★ 来稿 日 ：０ ９ １－ ６ ★ 期 ２ ０ — １０ 基金项 目： 上海高校知识 创新工程 （８ 工程 ） ｏｓ 建设项 目资助（ ０ Ｏ ）上海市培养 Ｊ ９１ ， Ｚ 优秀青年教师基金项 目 资助 （ｊ ０ ０ ９ ｇ 一７ １） ｄ
２ ０
任 洪娟 等 ： 柴油机活塞有 限元 分析 与结构改进
３２热 负荷分 析结 果 －
通过分析， 活塞的温度场 、 热应力及热变形分布 ， 如图 ３ ５ － 所
示。
图 ６活塞机械应力分布
图 ３活 塞 温度 场
图 ７ 活塞 机械 变 形 图
５ 耦合结果
‘
由于活塞工作时 ， 同时受到热应力与机械应力的作用 ， 为此 选取膨胀作功冲程开始时进行耦合分析 ， 其耦合分析的应力场和 变形情况 ， 如图 ８ ９ 、 所示。 由图 ８可见 ， 活塞最大耦合应力出现在
任洪娟 马其 华
（ 上海工程 技术大 学 汽车学 院 ， 上海 ２ １２ ） ０ ６ ０
Ｆ ＥＡ ｎ ｌｓｓ ａ ｄ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｒ ｆ ｒ ｏ ｉｔ ｎ ｏ ｉｓ ｌ ｎ ｉｅ ａ ａｙ ｉ ｎ ｔｕ ｔ ｅ ｏ ｍ ｆｐｓ ｏ ｆｄｅ ｅ ｇｎ ｒ ｅ Ｒ Ｎ Ｈ ｎ －ｕ ｎ ＭＡ Ｑ— ｕ Ｅ ｏ ｇ ｊａ ， ｉｈ ａ
损、 活塞销座开裂等不良后果。另外由于活塞顶部温度很 高而且
分 布 不 均匀 ， 致不 同位 置 产 生 不 同热 变形 ， 而 破 坏 活 塞 与气 导 从
缸壁之间的正常间隙。由于冷热不均匀所产生 的热应力 ， 活 会使 塞顶部 出现疲劳热裂现象。 因此， 活塞部件的设计是否合理 ， 直 将 接关系到柴油机的经济性 、 可靠性 、 寿命等至关重要 的参数。
图 ５活塞热变形
由 图 ３可见 ， 活塞 温 度 由上 而 下逐 渐 降 低 ， 主要 是 因 为 活 这 塞 顶部 与高 温高 压 的燃气 相 接触 。 由图 ４可见活 塞裙 部热 应 力最 小 ， 大 热 应力 分 布 在活 塞 顶 下壁 面 燃烧 室 附 近 ， 而最 这是 因为 活