苏ICP备112451047180号-6
YC6108C柴油机活塞在温度和机械载荷作用下应力和变形的ANSYS分析
一、课题来源
课题《YC6108C柴油机活塞在温度和机械载荷作用下应力和变形的ANSYS分析》来源于东风活塞轴瓦有限公司的生产实际应用，任务依据是东风活塞轴瓦有限公司对YC6108C柴油机活塞的有限元分析。
二、国内外现状
活塞是发动机上最为关键的运动件之一，它在高温高压下承受反复交变载荷。过高的温度和过大的热应力、机械应力、过大的变形量都会影响到发动机的正常工作。随着发动机功率的提高和各种新技术的应用，研究活塞的温度场和强度问题具有十分重要的意义。国外早已开展了许多卓有成效的研究工作，并提出了一些新的研究手段和方法。但国内的科研机构和企业内部对这些项目的研究起步晚于国外，资金投入和重视程度也不足，同国外相比还有一定的距离。
其中数值模拟技术在产品开发中占有重要的地位。工程和制造企业的生命力在于工程和产品的创新，而实现创新的关键，除了设计思想和概念之外，最主要是要拥有可靠的技术保障。就国际和国内的汽车行业和内燃机行业而言，CAE技术有相当大的应用空间。过去几年中，在可伸缩系统和并行CAE软件上，汽车工业已经作出许多重大投资。据估计，仅1999年1年中，底特律三大汽车 OEM 的总的 Gflop 计算能力增长了两倍以上。在防撞性仿真、噪音震动和啸叫声（NVH）的分析和计算机流体动力学（CFD）仿真方面，由于商业化CAE软件的有效并行实现，它的应用日益广泛。
对于活塞的开发设计，工厂和研究所也开始注重数值模拟计算在其中的重要作用。上海内燃机研究所与上海计算技术研究所合作，在上海计算技术研究所709机上采用自编的二维有限元程序分析了活塞的温度场，计算时将活塞作了轴对称简化，计算结果与热电模拟法（电解槽式，热交换边界条件）实验结果作了对比，得到了令人满意的结果。上海柴油机厂对180型活塞也采用有限元方法分析了其温度场，发现原活塞的结构设计及冷却不够合理，之后依据计算结果和实验分析，加大了节流孔径并在连杆上加装回阀结构，取得了良好的效果。
沪东造船厂采用有限元法计算了活塞的热应力和温度场，改进了活塞的结构，使得活塞的强度满足了发动机可靠性运转要求。长春汽车研究所分析了CA488型发动机的温度场和热应力，其有限元模型考虑了防胀钢片和销孔偏心的影响，发现原活塞设计强度不足，并提出了改进措施。天津大学的薛远等采用有限元软件包ADINA 对 135 绝热柴油发动机ω型燃烧室陶瓷与金属双材料活塞的热应力进行了分析。在活塞的先期设计阶段进行活塞温度场和热应力、机械应力的有限元法研究，浙江大学也开展了一些研究工作，提出了第三类边界条件的计算模型。对于正确预测活塞的温度场和热应力、机械应力提出了一类可行的研究方法。
采用有限元计算活塞温度场时，边界条件的确定是相当复杂的一项工作，过去常用实验方法——电模拟法来确定其换热系数，其基本原理是利用热和电之间的物理现象的相似，通过电量来得到活塞的温度和热流分布。同济大学的周济也研究了活塞同缸壁之间的传热规律，对比了 Woschni-Huber 公式、Bargende 公式和Hohenberg公式的计算精度和并探讨了其适用性问题。对于基本的传热系数的研究，国外也大都通过做大量的实验，分析实验数据中包含的规律，从而不断修正其参数以提高其适用性。此外国外还探讨了诸如缸内积碳、润滑油膜厚度、进气涡流强度等因素对传热的影响。
三、综合分析及方案论证
为了对YC6108C柴油机活塞在温度和机械载荷作用下的ANSYS分析，首先利用CATIA软件建立了内燃机活塞的四分之一实体模型，采用国际通用的IGES文件格式导出模型数据，利用ANSYS提供的IGES文件接口，从而获得有限元分析的实体模型，实现CAD与CAE软件的结合。在ANSYS里定义活塞的材料属性,实常数,单元类型等。采用自由网格划分的方法对其进行实体网格划分。然后分析活塞在缸体中的运动和受力情况，研究影响活塞强度和变形的因素，从理论上深入了解模型的简化方法。施加适当的边界条件和约束关系，计算活塞在气体压力等载荷条件下的变形和应力。采用ANSYS软件的Multiphisics模块，估算出活塞顶部燃气对活塞的换热系数和平均燃气温度。用稳态热分析功能，计算了活塞的温度场，得到了热流在活塞内部的分布和活塞各个部位的热梯度，从而完成对活塞的热负荷的评价。根据活塞的温度场分析结果和活塞的实际约束状况，计算活塞在这样的温度水平下的热膨胀和热应力状况，分析热应力是否造成活塞破坏，是否将影响发动机的正常工作。最后将机械负荷和热负荷共同作用于活塞体，分析在其共同作用下活塞的强度和变形是否符合条件。
1.活塞三维模型的建立
用法国达索公司开发的大型三维模型设计开发软件CATIA进行YC6108活塞的整体建模。
2.活塞机械应力及变形的分析
活塞在气缸内作往复运动时承受着燃气压力、往复惯性力和侧推力的作用，在活塞内部也会产生很大的应力，形状发生改变，引起活塞裙部失圆，活塞的典型变形。现在的汽油机爆发压力约为3-6MPa，非增压柴油机约为6-9MPa，而增压柴油机更是高达13-15MPa。活塞内部产生的应力也是多种多样的，包括顶部动态弯曲应力；销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪切应力。
活塞工作时，燃烧气体压力均布作用在活塞顶上，而活塞销给予的支反力则作用在活塞头部的销座处，由此产生的变形是裙部直径沿活塞销座的轴线方向增大，缸体对活塞的侧推力的作用又加大了这种变形。除了活塞受气体压力的作用会产生一定的变形而影响发动机的工作可靠性外，活塞在气体压力作用下产生的机械应力也随着功率提高而变得越来越被重视。
3.活塞热应力及应变的分析
物体内产生热应力的原因大致有以下三个：一是由于外加的约束而使物体在温度变化时不能自由膨胀或收缩；二是在匀质物体内，由于物体不均匀的受热，它的各微体将发生程度不同的膨胀，而各微体之间为了保持物体连续性而相互受到约束，使这种膨胀不能任意地发生；三是物体为非匀质体（或由几种不同的材料组成），即使温度分布是均匀的，但由于它各处的物理特性不同（例如线膨胀系数ζ和弹性模量E不同）和几何尺寸不一，在物体各个部分之间引起互相牵制。活塞是一个材料均匀的物体，它全由 ZL109 材料组成，所以活塞的热应力主要来自于活塞受到的约束和活塞内部温差的存在。在发动机的受热零件中，活塞的热应力是一个突出的问题，在某些情况下可能比燃气爆发压力造成的机械应力要大几倍。换句话说活塞的热应力仍是一个不可忽视的问题。
4.活塞的综合应力分析
动力机械的零件同时承受外力和温度场作用的情形相当的多，这些零件所承受的应力和应变不仅是由外力引起，而且还由传热现象引起。活塞就是这一现象的典型零件，既受燃气爆发压力作用，同时又受高温燃气的加热作用。分析活塞在热和机械负荷共同作用下的变形和应力，研究其工作作用下活塞的应力和应变是相当必要的一项工作。实际情形中，物体的形变和热量的传递是相互影响的，温度的变化将引起形变，而物体的形变又将又会影响物体内部热量的传递。
在温度和机械负荷共同作用时，在顶部的变形主要由热膨胀变形引起，温度起主要作用。在活塞裙部的变形主要由燃气爆发压力、活塞侧推力和活塞销的支反力引起。
5.活塞强度的分析校核
通过ANSYS产生的应力与应变云图。对活塞进行强度的校核。
四、工作步骤
五、参考文献
[1] 张朝辉．ANSYS热分析教程与实例解析[M]．中国铁道出版社，2007.2．
[2] 陈家瑞．汽车构造[M]．机械工业出版社，2005.1．
[3] 周龙保．内燃机学[M]：机械工业出版社，2007.10．
[4] 陆际清．汽车发动机设计[M]．清华大学出版社，1993.10．
[5] 王忠瑜．活塞的传热和热强度研究 [D]．重庆大学机械工程学院，2002.5．
一、课题来源
课题《YC6108C柴油机活塞在温度和机械载荷作用下应力和变形的ANSYS分析》来源于东风活塞轴瓦有限公司的生产实际应用，任务依据是东风活塞轴瓦有限公司对YC6108C柴油机活塞的有限元分析。
二、国内外现状
活塞是发动机上最为关键的运动件之一，它在高温高压下承受反复交变载荷。过高的温度和过大的热应力、机械应力、过大的变形量都会影响到发动机的正常工作。随着发动机功率的提高和各种新技术的应用，研究活塞的温度场和强度问题具有十分重要的意义。国外早已开展了许多卓有成效的研究工作，并提出了一些新的研究手段和方法。但国内的科研机构和企业内部对这些项目的研究起步晚于国外，资金投入和重视程度也不足，同国外相比还有一定的距离。
其中数值模拟技术在产品开发中占有重要的地位。工程和制造企业的生命力在于工程和产品的创新，而实现创新的关键，除了设计思想和概念之外，最主要是要拥有可靠的技术保障。就国际和国内的汽车行业和内燃机行业而言，CAE技术有相当大的应用空间。过去几年中，在可伸缩系统和并行CAE软件上，汽车工业已经作出许多重大投资。据估计，仅1999年1年中，底特律三大汽车 OEM 的总的 Gflop 计算能力增长了两倍以上。在防撞性仿真、噪音震动和啸叫声（NVH）的分析和计算机流体动力学（CFD）仿真方面，由于商业化CAE软件的有效并行实现，它的应用日益广泛。
对于活塞的开发设计，工厂和研究所也开始注重数值模拟计算在其中的重要作用。上海内燃机研究所与上海计算技术研究所合作，在上海计算技术研究所709机上采用自编的二维有限元程序分析了活塞的温度场，计算时将活塞作了轴对称简化，计算结果与热电模拟法（电解槽式，热交换边界条件）实验结果作了对比，得到了令人满意的结果。上海柴油机厂对180型活塞也采用有限元方法分析了其温度场，发现原活塞的结构设计及冷却不够合理，之后依据计算结果和实验分析，加大了节流孔径并在连杆上加装回阀结构，取得了良好的效果。
沪东造船厂采用有限元法计算了活塞的热应力和温度场，改进了活塞的结构，使得活塞的强度满足了发动机可靠性运转要求。长春汽车研究所分析了CA488型发动机的温度场和热应力，其有限元模型考虑了防胀钢片和销孔偏心的影响，发现原活塞设计强度不足，并提出了改进措施。天津大学的薛远等采用有限元软件包ADINA 对 135 绝热柴油发动机ω型燃烧室陶瓷与金属双材料活塞的热应力进行了分析。在活塞的先期设计阶段进行活塞温度场和热应力、机械应力的有限元法研究，浙江大学也开展了一些研究工作，提出了第三类边界条件的计算模型。对于正确预测活塞的温度场和热应力、机械应力提出了一类可行的研究方法。
采用有限元计算活塞温度场时，边界条件的确定是相当复杂的一项工作，过去常用实验方法——电模拟法来确定其换热系数，其基本原理是利用热和电之间的物理现象的相似，通过电量来得到活塞的温度和热流分布。同济大学的周济也研究了活塞同缸壁之间的传热规律，对比了 Woschni-Huber 公式、Bargende 公式和Hohenberg公式的计算精度和并探讨了其适用性问题。对于基本的传热系数的研究，国外也大都通过做大量的实验，分析实验数据中包含的规律，从而不断修正其参数以提高其适用性。此外国外还探讨了诸如缸内积碳、润滑油膜厚度、进气涡流强度等因素对传热的影响。
三、综合分析及方案论证
为了对YC6108C柴油机活塞在温度和机械载荷作用下的ANSYS分析，首先利用CATIA软件建立了内燃机活塞的四分之一实体模型，采用国际通用的IGES文件格式导出模型数据，利用ANSYS提供的IGES文件接口，从而获得有限元分析的实体模型，实现CAD与CAE软件的结合。在ANSYS里定义活塞的材料属性,实常数,单元类型等。采用自由网格划分的方法对其进行实体网格划分。然后分析活塞在缸体中的运动和受力情况，研究影响活塞强度和变形的因素，从理论上深入了解模型的简化方法。施加适当的边界条件和约束关系，计算活塞在气体压力等载荷条件下的变形和应力。采用ANSYS软件的Multiphisics模块，估算出活塞顶部燃气对活塞的换热系数和平均燃气温度。用稳态热分析功能，计算了活塞的温度场，得到了热流在活塞内部的分布和活塞各个部位的热梯度，从而完成对活塞的热负荷的评价。根据活塞的温度场分析结果和活塞的实际约束状况，计算活塞在这样的温度水平下的热膨胀和热应力状况，分析热应力是否造成活塞破坏，是否将影响发动机的正常工作。最后将机械负荷和热负荷共同作用于活塞体，分析在其共同作用下活塞的强度和变形是否符合条件。
1.活塞三维模型的建立
用法国达索公司开发的大型三维模型设计开发软件CATIA进行YC6108活塞的整体建模。
2.活塞机械应力及变形的分析
活塞在气缸内作往复运动时承受着燃气压力、往复惯性力和侧推力的作用，在活塞内部也会产生很大的应力，形状发生改变，引起活塞裙部失圆，活塞的典型变形。现在的汽油机爆发压力约为3-6MPa，非增压柴油机约为6-9MPa，而增压柴油机更是高达13-15MPa。活塞内部产生的应力也是多种多样的，包括顶部动态弯曲应力；销座承受拉压及弯曲应力；环岸承受弯曲及剪切应力。
活塞工作时，燃烧气体压力均布作用在活塞顶上，而活塞销给予的支反力则作用在活塞头部的销座处，由此产生的变形是裙部直径沿活塞销座的轴线方向增大，缸体对活塞的侧推力的作用又加大了这种变形。除了活塞受气体压力的作用会产生一定的变形而影响发动机的工作可靠性外，活塞在气体压力作用下产生的机械应力也随着功率提高而变得越来越被重视。
3.活塞热应力及应变的分析
物体内产生热应力的原因大致有以下三个：一是由于外加的约束而使物体在温度变化时不能自由膨胀或收缩；二是在匀质物体内，由于物体不均匀的受热，它的各微体将发生程度不同的膨胀，而各微体之间为了保持物体连续性而相互受到约束，使这种膨胀不能任意地发生；三是物体为非匀质体（或由几种不同的材料组成），即使温度分布是均匀的，但由于它各处的物理特性不同（例如线膨胀系数ζ和弹性模量E不同）和几何尺寸不一，在物体各个部分之间引起互相牵制。活塞是一个材料均匀的物体，它全由 ZL109 材料组成，所以活塞的热应力主要来自于活塞受到的约束和活塞内部温差的存在。在发动机的受热零件中，活塞的热应力是一个突出的问题，在某些情况下可能比燃气爆发压力造成的机械应力要大几倍。换句话说活塞的热应力仍是一个不可忽视的问题。
4.活塞的综合应力分析
动力机械的零件同时承受外力和温度场作用的情形相当的多，这些零件所承受的应力和应变不仅是由外力引起，而且还由传热现象引起。活塞就是这一现象的典型零件，既受燃气爆发压力作用，同时又受高温燃气的加热作用。分析活塞在热和机械负荷共同作用下的变形和应力，研究其工作作用下活塞的应力和应变是相当必要的一项工作。实际情形中，物体的形变和热量的传递是相互影响的，温度的变化将引起形变，而物体的形变又将又会影响物体内部热量的传递。
在温度和机械负荷共同作用时，在顶部的变形主要由热膨胀变形引起，温度起主要作用。在活塞裙部的变形主要由燃气爆发压力、活塞侧推力和活塞销的支反力引起。
5.活塞强度的分析校核
通过ANSYS产生的应力与应变云图。对活塞进行强度的校核。
四、工作步骤
| 毕业设计安排 | ||
| 1 | 明确任务要求，了解设计对象的结构，收集相关资料 | 2008.3.24~4.15 |
| 2 | 相关软件的学习及英文翻译 | 2008.4.16~4.25 |
| 3 | CATIA中活塞的三维建模 | 2008.4.26~5.15 |
| 4 | 活塞的有限元分析 | 2008.5.15~6.10 |
| 5 | 整理并完善课题，撰写毕业设计论文、准备答辩 | 2008.6.11~6.17 |
| 6 | 毕业答辩 | 208.6.18 |
五、参考文献
[1] 张朝辉．ANSYS热分析教程与实例解析[M]．中国铁道出版社，2007.2．
[2] 陈家瑞．汽车构造[M]．机械工业出版社，2005.1．
[3] 周龙保．内燃机学[M]：机械工业出版社，2007.10．
[4] 陆际清．汽车发动机设计[M]．清华大学出版社，1993.10．
[5] 王忠瑜．活塞的传热和热强度研究 [D]．重庆大学机械工程学院，2002.5．