柴油機活塞有限元計算分析范文

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《機械設計與制造工程雜志》2014年第六期

1載荷及邊界條件

1.1熱邊界條件

參照文獻［1］的計算經驗，活塞熱邊界條件通過反復調整活塞邊界附近的介質溫度和邊界與介質間的換熱系數來確定，直至監測點計算溫度值與實測溫度值誤差在工程研究允許范圍之內為止。

1.2位移約束計算時，在連桿小端的底平面上施加位移約束。為避免活塞產生剛體移動，確保活塞有足夠的約束，在活塞1/4模型兩對稱面上施加對稱約束。

1.3接觸界面組合活塞內部以及活塞與其他零件間均存在接觸，ANSYS進行實體接觸分析是通過建立面－面接觸對的形式進行的，因此接觸界面的設置是否合理直接影響計算結果的準確性。根據活塞接觸界面接觸情況，設置相關界面相關接觸類型、接觸算法及對稱性。

2計算仿真結果與分析

2．1熱分析通過對活塞第三類邊界條件的反復調整，得到了活塞溫度分布情況，如圖3所示。從圖中可以明顯看出，活塞頭燃燒室的高溫在活塞內部的傳遞情況。活塞最高溫度出現在活塞頭端面位置，達405．16℃。

2．2應力分析

2．2．1螺栓應力分析計算結果表明，連接螺栓桿身承受拉應力，溫度升高使螺栓預緊力有所減小，爆發壓力作用時，螺栓預緊力有所降低。工況1條件下螺栓應力分布如圖4所示。工況1，3，4這3種方案的螺栓桿身承受應力情況見表1。

2．2．2活塞裙螺栓沉孔座過渡圓角處應力分析本文有針對性地對活塞裙危險部位螺栓沉孔過渡圓角處的Z軸方向應力進行了分析。計算時設置螺栓沉孔座面過渡圓角邊緣線為分析路徑，建立弧長－應力曲線，如圖5所示。O點為起始點，按順時針取點，end為結束點。圖6為工況4條件下，螺栓沉孔座過渡圓角Z軸方向應力分布情況。圖7為工況1，3，4的螺栓沉孔座過渡圓角處的應力曲線。從圖中可以看出，爆發壓力對螺栓沉孔座過渡圓角處所受應力影響較大，使靠近活塞銷孔側螺栓過渡圓角處Z軸向應力由拉應力轉變為壓應力。在活塞工作循環中，爆發壓力是不斷變化的，其作為脈沖力直接導致了螺栓沉孔座面產生交變應力。

2．3變形分析

2．3．1整體變形分析圖8為活塞在工況4條件下整體變形特征。可以明顯看出，在爆發壓力作用下，活塞頭、活塞裙銷孔以及活塞銷變形情況。計算結果與文獻［7］中的變形結果相一致。

2．3．2活塞頭環槽變形分析活塞在耦合載荷作用下環槽寬度會發生變化，為防止活塞環槽寬度減小過多與活塞環出現固死現象，計算確定環槽寬度變化值具有重要意義。經計算，在工況4條件下，第一活塞環槽Z軸向寬度變化:YZ截面處減小0．034mm，XZ截面處減小0．029mm。

3結論

a．活塞熱分析是熱結構耦合分析的基礎環節，其中傳熱邊界條件的確定是關鍵因素，工程計算中通常根據活塞實測關鍵點溫度值反求邊界換熱系數和介質溫度。b．活塞在熱負荷和機械負荷共同作用下變形不均勻，從頭部至裙部徑向變形逐漸減小，因此在活塞結構設計中，活塞頭第一環槽以上位置需設計成錐形或偏小直徑圓柱，以防止活塞頭熱變形過大與氣缸抱死。c．熱負荷和最高爆發壓力負荷會引起螺栓預緊力減小。因此，在活塞裝配過程中需嚴格控制螺栓預緊力的大小，防止活塞在使用過程中螺栓松脫，出現頂、裙分離現象，造成嚴重后果。另外，活塞裙銷座孔內側邊緣以及螺栓沉孔座過渡圓角應力值變化較大，易產生疲勞裂紋，加工過程中，要嚴格保證此處表面加工質量。d．計算分析結果為活塞產品的設計和結構改進提供了指導，同時也為進行其他類型活塞產品有限元計算分析提供參考。

作者：張五金孫道賀張寶力沈偉單位：天津理工大學中環信息學院機械工程系