汽油机活塞有限元分析.docVIP

汽油机活塞有限元分析 摘耍:利用冇限元分析方法，对HH471QE发动机活塞在机械负荷作用下的应力、应 变进行了模拟计算分析，发现改进方案活塞的机械应力、变形均在规定值的范围 内，为研究活塞的改进方案提供了设计理论依据。 关键词:活塞;CAD;应力;应变 活塞组是汽油机最重要的运动件其结构和所处的工作环境十分复杂，即 高温、高负荷、高速运动、润滑不良和冷却困难等,使其成为汽油机常见故障较 的零件之一。随着发动机向高速、强化方向的发展,发动机的增压比和比功率不 断提高，热负荷严重状况更为突出，活塞组的工作条件更加恶劣(1,2)，其工作的可 靠性已成为提高发动机可靠性的关键技术Z-o笔者重点讨论HH468QE发动机 扩缸为HH471后，其活塞组的活塞配置方案是否合理。利用冇限元分析方法，对 HH471QE的活塞组进行结构強度评估，对该活塞在机械负荷作用下，其应力、应变 进行了模拟计算分析，发现改变方案活塞的机械应力、变形均在规定值的范围内, 从而为研究活塞的改进方案提供了设计理论依据。 1.三维实体有限元建模 活塞是一个近似旋转体的零件，其整体从活塞顶到底而存在一定的锥度，冃裙部断 面为长轴垂直于活塞销方向上的椭圆，但在具体的建模过程中，很难做到符合实际 的活塞模型。因此，笔者分析活塞有限元模型采用的是简化的模型，即从活塞顶到 底面没冇锥度，并且裙部断面为圆形。出于内腔形状复杂、活寒销中心线和活寒 中心线存在偏差,所以算时以完整的活塞为分析对象，活塞的三维实体模型见图 图1活塞的实体模型 2.计算模型的建立 2.1活塞冇限元模型的分析 由于内燃机工作时，活塞承受气缸中气体压力造成的作用力，并将此力通过活塞销 传给连杆，以推动曲轴旋转，而H活塞顶部还与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。 因此在分析中，将气缸体、部分连杆、活塞销也考虑在内，将活塞销、连杆、气缸 体白适应地ADD到计算模型,也就是说机械应力的计算耍考虑活塞销、连杆、气 缸体的影响，活塞销与销座留冇一定的空隙，由系统自动创建接触单元(CONTACT), 有限元模型剖视图如图2所示，各相关零件材料的物理参数见表lo 表1各材料的物理参数 区域 材料 弹性模量/ GPa 泊松比 密度/ (kg/m3) 活塞 ZL105 70 0.3 2.68 X103 活塞销 20CrA 207 0.28 7. 83 X103 连杆 45MN 204 0.23 7.8 XI03 气缸体 HT25O 138 0. 156 7.28 XI03 图3活塞的位移边界条件图2 图3活塞的位移边界条件 有限元模型的所有实体部分，均采用四节点四面体 单元，活塞与活塞销处采用细的网格，以提高这些区域 的计算精度，力求准确地反映出这些区域的应力。 2.2位移边界条件 为了消除活塞的整体刚体位移，根据活塞的实际工作状况，在有限元模型屮施加了 相应的位移边界约束条件。对于气缸体,从上、下端面到距其8mm处进行了全约 束;对于部分连杆，将其下端面进行了全约束。由于活塞是分析的主体，连杆和缸体 只是用于模拟活塞实际的接触条件，其本身应力计算值的大小对活塞有限元分析 影响不大，活塞计算时施加的位移边界约束见图3 2.3载荷边界条件 活塞的机械负荷包括周期性变化的气压力Pz、往复惯性力Pj、侧压力PN,受力 简图见图4,同时活塞环在燃气压力的作用下,压紧在环槽的下端而，于是燃气便绕 流到环的背面，并发生膨胀，其压力下降。在计算分析中，考虑到活塞的侧压力与最 大气体压力相差较大，将侧压力忽略不计，按照图5（各环间隙处的气体压力递减图） 对活塞齐部位施加了相应的气体压力。 图4活塞组受力简图 图5各环间隙处的气体压力递减图 2.4接触边界条件 对于活塞、活塞销、部分连杆、气缸体组成的组合结构,在载荷作用下，装配结合 面有接触效应。故计算模型屮建立了活塞销与活塞销座、活塞销与连杆小头、活 塞外表面与气缸体内表面的接触川?算吋程序根据接触状态自动地在接触面上建 立接触单元，传递作用力，完成接触模拟。 3 ?活塞计算结果 3.1应力计算结果 活塞的应力考察区域见图6。 为了能够很好地反映出活塞受力趋势，共选取了 11个考察区域，为了表达清楚, 图6显示了一半活塞的考察区域。其中1,10区域为活塞销座与活塞顶过渡部 位29区域为活塞销座内侧的外端而,3区域为活塞的裙部,4,8区域为活塞销孔上 表面,5,7区域为活塞的头部,6区域为活塞顶部的燃烧室部位,11为活塞顶的底面 （7,8,9,10区域图上未标出）o从图7屮可以看出，最小主应力和最大主应力都出现 在活塞销孔上侧面,故此活塞销孔上侧面的等效应力最人，活塞销座与活塞顶过 渡部位也存在较大的应力，而其它部位的丿应力较小，活塞整体的应力分布比较均 匀。从图8屮可以得知，最大等效应力出现在