1015柴油機活塞結構設計及溫度場分析
摘 要
隨著科研的進步，內燃機技術得到了快速的發展，低排放高效率的內燃機的發展成為內燃機發展的主要趨勢，活塞作為內燃機的主要組成部件，在內燃機中扮演著至關重要的作用。活塞在內燃機中始終于高溫氣體接觸，承受著非常大的機械載荷和熱載荷，因此掌握活塞的溫度應力分析就顯得十分重要。
本文以1015柴油機活塞為研究對象進行了結構設計和和有限元分析，結合經驗公式和第三邊界條件，得到了活塞溫度場分析的熱邊界條件，完成了活塞的問題溫度場分析，得到了活塞的溫度分布云圖。其次本文還對活塞的女機械應力場和熱應力場進行了分析，主要包含三個方面，溫度場、機械應力場和熱應力場，分析結果顯示，活塞的熱應力大于其機械應力，其最大機械應力集中在頭部，裙部的應力性對來說比較穩定。
本文主要采用有限元的分析方法，首先通過計算設計出活塞的cad模型，進一步采用有限元軟件進行有限元分析，得到活塞的溫度分布和應力分布，得到活塞正常工作時的運行狀態，進而優化cad模型，仿真驅動設計，從而提高柴油發動機的整體性能。

關鍵詞：柴油機，活塞，溫度場，應力場

1 ?緒論?? ?1
1.1 概述?? ?1
1.2 國內外研究現狀?? ?1
1.2.1 國內研究現狀?? ?2
1.2.2 ?國外研究現狀?? ?3
1.3 ?課題研究的內容和方法?? ?3
1.3.1 ?設計原始數據?? ?4
1.3.2 ?主要工作內容?? ?4
1.4 ?本章小結?? ?4
2 ?活塞的設計方法?? ?5
2.1 ?活塞結構設計?? ?5
2.1.1 ?活塞頭部設計?? ?5
2.1.2 ?活塞銷座設計?? ?6
2.1.3 ?活塞裙部設計?? ?7
2.1.4 ?活塞的結構參數?? ?8
2.2 ?活塞材料選型?? ?8
2.3 ?活塞校核計算?? ?9
2.3.1 ?第一環岸強度估算?? ?9
2.3.2 ?活塞銷座比壓估算?? ?10
2.3.3 ?活塞裙部比壓估算?? ?10
2.4 ?本章小結?? ?10
3 ?活塞的三維建模?? ?11
4 ?活塞的有限元分析?? ?12
4.1 ?ansys軟件簡介?? ?13
4.2 ?活塞的溫度場分析?? ?14
4.2.1 ?傳熱邊界條件的確定?? ?15
4.2.2 ?活塞溫度場結果分析?? ?15
4.3 ?活塞的應力場分析?? ?17
4.3.1 ?活塞受力分析?? ?17
4.3.2 ?活塞機械應力分析結果?? ?17
4.4 ?活塞的熱應力分析?? ?18
4.4.1 ?活塞熱應力分析結果?? ?19
4.5 ?本章小結?? ?20
5 ?活塞的設計改進?? ?21
6 ?工程背景?? ?22
6.1 ?工程成本核算?? ?22
6.2 ?所需器材費用?? ?22
6.3 ?工程項目對社會環境的影響?? ?22
6.4 ?本章小結?? ?23
7 ?總結?? ?24
8 ?展望?? ?25
參考文獻?? ?26
致 ?謝?? ?27

1 ?緒論
1.1 概述
柴油發動機發展距今已有100多年的歷史，由于其效率高，應用性強的特點，已經廣泛應用于我國的交通運輸、農業生產和國防建設當中[1]。隨著科學技術的發展，人們對內燃機動力性能提出了更高的要求，隨著高壓噴射系統的廣泛應用，比如高壓共軌系統和電控單元噴射系統，高壓噴射系統可以提供更高的功率密度，提升燃油效率和降低排放。目前高熱效率、高功率、低排放是柴油機發展的主要方向，在追求高功率的同時，提高了缸內燃燒壓力的峰值，無疑提高了柴油發動機內部的機械負荷和熱負荷，從而影響內燃機的耐久性。因此選擇合適正確的材料和進行內部主語零部件溫度場的應力應變分析就顯得格外重要[2-3]。
活塞作為柴油發動機的主要組成部件，發動機在運行的過程中缸內產生的爆炸壓力經過活塞傳遞給發動機曲軸，從而推動曲軸轉動，活塞頭部在整個傳遞的過程中承受著強大的爆發壓力和高溫作用，于此同時，活塞還在做往復運動，承受機械負荷，在運動的過程中會出現摩擦損耗和結構變形，于此同時活塞頭因為長期和高溫氣體壓力接觸，其表面也有可能發生破壞，從而導致發動機無法正常運行，因此柴油發動機的主要核心部件活塞在設計的過程中要選擇耐高溫抗機械負荷能力強的材料，同時抗疲勞強，耐磨損[4]。
因此活塞的仿真分析非常有必要，目前主要采用有限元的分析方法，首先通過計算設計出活塞的cad模型，進一步采用有限元軟件進行有限元分析，得到活塞的溫度分布和應力分布，得到活塞正常工作時的運行狀態，進而優化cad模型，仿真驅動設計，從而提高柴油發動機的整體性能。
1.2 國內外研究現狀
隨著計算機技術的發展，數值分析技術在活塞模擬中得到了廣泛的應用，國內外也對活塞做了很多深入的研究，其中包括活塞的溫度場分析，熱疲勞分析，熱沖擊載荷分析和機械強度分析[5]。采用數值模擬分析相比于傳統的實驗分析具有開發周期短、成本低的優勢。因此基于計算機技術的數值模擬分析已經成為絕大數學者和工程師的首選方式。常見的數值模擬方法主要有Boundary Element ,Finite Element Method,Finite Difference Method三種比較常見的分析方法，對于這三種方法相比于國內，國外技術稍有滯后性，但隨著我國的高速發展，技術水平已經完全可以國外相提并論，于此同時，我國的數值模擬技術則應用更加全面，廣泛應用于我國的航空航天、汽車、船舶等工業領域。隨著CAD、CAE技術的發展，我國的發動機領域也將迎來重大的發展機遇[6-7]。
1.2.1 國內研究現狀
我國汽車行業的快速發展，帶動活塞技術的更新換代，我國未來發展的主要方向是生產高功率、低油耗的柴油發動機，而發動機在工作時，活塞在氣缸內往復運動，因此主要的方向是活塞的設計研究[8]。目前我國設計研發的活塞在運行的過程中存在一定的問題，在高溫高壓的工作條件下，活塞易出現磨損失效的現象。為解決這些問題，我國很早就開始進行數值模擬活塞的設計開發工作，該工作的重點是有限元模型的建立，有限元模型的質量直接影響著數值模擬的結果。有限元模型的分類可大致分為創建整個活塞的有限元模型、創建半個活塞的有限云模型以及創建四分之一的活塞有限云模型。馬哲樹[9]在對活塞進行模擬分析時就采用頭部四分之一和裙部完整模型的研究方法，對模型進行有限元分析的同時要確定活塞的邊界條件，隨后施加載荷進行模擬。下圖1.1所示是頭部四分之一的有限元模型。

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