基于Proe的活塞有限元分析实例分析.docxVIP

基于Proe的活塞有限元分析实例一、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，并选择面施加气压缸内气压/MPa气体压力Fg/N往复惯性力Fj/N11.97206280611.300987036.017748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。由于活塞在上止点附近向下运动时活塞销会出现弯曲变形,使活塞销座出现异形变形, 而销座上端的较大刚度阻止活塞销座的形变, 从而导致了活塞销孔的上端出现了应力的集中。在活塞的销座得出的最大应力为198.1MPa 左右,已超过活塞材料在常温下的最大许用应力195MPa。而活塞的其他部位应力值都在许用应力195MPa以下。另外, 活塞加强筋与活塞顶部相连的部位也会出现应力集中的情况, 但其应力值约为185MPa。在结果查看界面进行复制，来查看变形云图图2力边界条件下活塞变形云图（单位mm）模拟计算出柴油机活塞的整体变形分布情况如图所示。活塞变形中最大值为0.0485mm，位于受活塞两侧的活塞裙部的下部边缘，活塞的整体变形是以活塞销孔为变形最小的区域，不断向四周扩散，变形量也逐渐增加。活塞顶部及燃烧室变形量大概在0.038mm到0.012mm之间，相对来言顶部比燃烧室底部变形大。活塞环岸及裙部区域的变形大概在0.03mm到0.0015mm之间。在活塞单独机械负荷作用下，由于加入了燃气压力，活塞裙部、活塞销座等区域应力值大大增加。而活塞裙部下侧处的刚度非常低，因此出现较大变形。考虑原因可能是活塞的顶部在沿活塞销孔轴向发生弯曲，这样会使裙部稍有向外增大的趋势，再者活塞在高温下本身就会膨胀，所以活塞的裙部变形会比较大。二、热分析1.概述活塞热边界条件的确定通常采用第三类边界条件，即给定边界的外围介质温度和换热系数。主要包括活塞各边界与燃气、冷却水、冷却油、曲轴箱内油雾以及自由环境之间的换热系数和相应温度。活塞顶部换热系数及燃气平均温度利用AVL 公司的BOOST 软件对发动机缸内工作过程进行仿真计算，得到发动机在标定工况下的缸内燃气温度及其对流换热系数。下图所示: 活塞顶面燃气温度高达1900 K，燃气平均温度为900～1000 K，对流换热系数平均为500～600W/(m2·K)。活塞侧面换热系数和环境温度活塞侧面的热量通过气缸套间接传给冷却水，其换热系数按式( 1) 计算，以冷却水温度作为环境温度。式中: λ1、λ2、λ0分别为活塞环、气缸壁和间隙内油或气的导热系数;λω为气缸壁与水之间的换热系数，λf为平均水温时水的导热系数，deq为水套当量直径，Nuf为努塞尔特准则数。活塞内侧换热系数和环境温度活塞内侧顶部布置了冷却油道，底部主要与油雾接触，故活塞内侧环境温度取曲轴箱内机油的温度，换热系数自下而上取为300 ～ 500 W/( m2·K) 。活塞所处的工作环境决定了其温度分布极其复杂，活塞经冷却介质带走热量的途径很多，可经活塞环，气缸套把热量带走，也可以经气缸套直接带走。而活塞与活塞环、活塞环与气缸套、活塞与气缸套之间，既有油膜又有气隙，并有相对运动。因此，以上通过仿真计算、经验公式和经验值所得到的热边界条件可能与活塞实际的传热边界条件相差很大。为了得到更为精确的热边界条件，