摘 要

活塞是内燃机的重要零部件之一，工作环境十分复杂恶劣。需要承受很高的机械负荷和热负荷。机械负荷由高压燃气压力、高速往复运动的产生的惯性力、侧向推力、摩擦力等产生，造成活塞不均匀的机械应力和变形，产生销座开裂、第一环岸断裂等故障。热负荷由于高压气体的燃烧温度很高导致活塞温度分布很不均匀，各部位温度阶梯很大，产生热应力和热变形。严重时发生活塞环胶节、拉缸、咬缸等故障。严重危害内燃机的可靠性和耐久性。因此对活塞的机械负荷、热负荷和变形应力进行有限元分析，了解活塞应力分布、变形情况，对提高内燃机工作效率具有重要意义。

本文对内燃机活塞在机械负荷和热负荷耦合的作用下应力及变形进行研究。首先收集资料，了解国内外发动机活塞的研究方法和现状，掌握发动机活塞的结构特点与工作原理。用PROE按照活塞的基本尺寸建模，利用ANSYS导入活塞的实体有限元模型，根据经验公式或经验值确定活塞受热的边界条件。结合ANSYS有限元分析软件对活塞在机械载荷、热载荷以及热力耦合情况下的应力场分布以及变形情况进行计算。明确了活塞工作过程中各部位的应力和变形分布状况、承受的热负荷和机械负荷的大小。得到活塞的不同截面的应力分布和最大应力值及其位置。

关键词：活塞；应力；变形；有限元分析

Abstract

The piston is one of the most important parts of the internal combustion engine, and its working environment is very complex and harsh. It needs to bear high mechanical and thermal loads. Mechanical is produced by the high-pressure gas, the high-speed reciprocating movement of the inertia force, the lateral thrust and the friction, which cause the piston uneven mechanical stress and deformation, cracking a pin seat ring coast fracture failure. Heat load, which is caused by the high combustion temperature of the high-pressure gas piston temperature distribution is very uneven, each part of the temperature is so different, resulting in thermal stress and deformation. The worst situation is that the section plastic piston rings, may cause a cylinder, biting cylinder failure. It will do harm to the reliability and durability of the internal combustion engine. So to the piston mechanical load, thermal load and deformation stress finite element analysis, to understand the piston stress distribution, and deformation, are of great significance to improve the efficiency of the internal combustion engine.

In this paper, the stress and deformation in the internal combustion engine piston role in the coupling of the mechanical and thermal loads. First, the data was collected at home and abroad about engine piston methods of research, grasp the structural characteristics and working principle of engine piston. Pro\E is used in accordance with the basic dimensions of the piston modeling, finite element model ANSYS import piston entity to determine piston heated boundary conditions, according to the empirical formula or experience. ANSYS finite element analysis software calculated on the piston in the case of mechanical load, thermal load and thermal coupling stress distribution and deformation. The clear piston working in various parts of the stress and deformation of the distribution, come out the size of the thermal and mechanical loads. The obtained piston of different cross-sectional stress distribution and the maximum stress value of its position.

Keywords: piston, stress, deformation, finite element analysis

目录

摘 要

Abstract

第1章 前言

1.1内燃机活塞介绍

1.2国内外研究现状

1.3研究意义及目的

第2章有限元法及ANSYS的概述

2.1有限元分析方法的简介

2.2有限元分析方法的发展与现状

2.2 ANSYS简介

2.2.1有限元软件ANSYS发展综述

2.2.2 ANSYS的技术特点

2.2.3 ANSYS的功能

第3章活塞有限元分析的理论基础

3.1热分析的原理

3.1.1稳态温度场

3.1.2温度场的三类边界条件和初始条件

在ANSYS中可以直接在实体模型或单元模型施加5种载荷(边界条件)。

3.2弹性力学有限元分析的原理

3.2.1应力—位移方程

3.2.2应力—应变方程

第四章活塞的建模

4.1活塞的三维模型建立

4.2定义单元类型

4.3活塞参数的确定

第5章活塞的热载荷分析

5.1活塞受热分析

5.3活塞的温度场分析

5.3.1活塞模型导入ANSYS

5.3.2活塞单元选择

5.3.3活塞定义材料属性

5.3.4活塞网格划分

5.3.5施加温度场载荷

5.3.6温度场求解及结果分析

5.4热应力分析

5.4.1模型转换

5.4.2定义边界位移

5.4.3施加温度应力载荷

5.4.4热应力及变形求解及结果分析

第6章 机械应力分析

6.1活塞受力分析

6.1.1气体压力

6.1.2活塞往复惯性力

6.1.3活塞侧推力 F

6.1.4活塞销座支反力

6.2载荷边界条件的确定

6.3位移边界条件的确定

6.4机械应力和变形分析

6.4.1前模块处理

6.4.2施加约束

6.4.3施加载荷

6.4.4机械应力及变形求解及结果分析

第7章活塞的改进和结论展望

7.1活塞的改进

7.1.1活塞销孔改进

7.1.2活塞销座改进

7.1.3活塞裙部改进

7.2结论

7.3对后期研究的展望

致谢

参考文献

第1章 前言

1.1内燃机活塞介绍

活塞是汽车发动机的“心脏”，时刻承受机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最恶劣的关键零部件之一。活塞承受气体压力，并通过活塞销传递给连杆机构使曲轴旋转，除此之外活塞顶部是燃烧室的重要组成部分。

活塞工作在高温，高压，高转速，润滑条件差的条件下。与高温热气体直接接触，瞬时温度高达2500K或以上，活塞严重受热，而冷却条件差，导致活塞工作时温度很高，顶部达到600〜700K。而且温度分布非常不均匀;活塞顶部会产生很大的气体压力，做工冲程的压力最大，汽油高达3〜5MPa时，柴油随访6〜9MPa，这会产生很大的压力冲击活塞，并且使活塞受到很大的侧向压力，活塞在气缸中以高速（8 〜12米/秒）往复运动，并且速度不断变化，产生了很大的惯性力，对活塞而言是极大的额外负荷。活塞在这种恶劣的工作条件下，会产生变形和磨损，还会产生额外的负荷和热应力。化学气体在高温下更容易对活塞腐蚀。

整个活塞主要可以分为活塞顶、活塞头和活塞裙3个部分。