基于Pro/MECHANICA的内燃机活塞有限元分析

作者：陈永东 钟绍华

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 一、引言 活塞是发动机的重要零部件之一，其设计质量直接关系到发动机性能的优劣。活塞结构复杂，而且作为内燃机的主要受热零件，经受周期性交变的机械载荷和热载荷的作用；常在高温、高速、高负荷以及冷却困难的情况下工作，因此容易产生故障。所以，要对内燃机进行热载荷和机械载荷的模拟计算以评估其可靠性，同时，对于内燃机的开发也是非常重要的。 有限元分析技术在提高活塞产品性能和加速活塞研制过程中的重要作用越来越被人们所重视。Pro/MECHANICA是PTC公司开发的强大的有限元软件，是Pro/E 一个比较独立的模块。它可以实现和Pro/ENGINEER的无缝集成，即完全实现几何建模和有限元分析的集成。主要用于静力学分析、动力学分析、震动分析、热力分析、疲劳分析和疲劳预测等。对于发动机、车体及起重机构等的分析可以帮助工程师找到设计中的应力集中点以便更新设计，延长产品的使用寿命，准确率非常高，可以避免许多设计中的缺陷。 本文采用有限元分析工具Pro/MECHANICA对某内燃机活塞进行了有限元分析。 二、活塞的热力分析 （一） 模型建立及网格划分 文章所要分析的活塞模型如图1 所示。在进行活塞有限元分析时，在保证分析精度的前提下，适当简化其有限元分析计算模型是必要的。考虑到活塞几何造型的对称性，在Pro/E下取活塞零件模型的1/4 为有限元分析模型，这样既可以简化计算过程又可以得到可信的分析效果。将活塞模型移至Pro/MECHANICA 环境下，可以完全利用在Pro/E中所建立的几何信息，选取热力分析模式（Thermal），设置模型材质（Model Materials）。这里选取铝合金AL2014并加入（Assign）活塞模型中，应用网格自动生成技术产生有限元网格。 （二）热载荷的施加 热载荷为气缸内的工作气体热源，使活塞顶面产生高温。由于内燃机在设计工况以高转速匀速运行，传热状况变化又是一个慢过程，为简化分析这里使用稳态过程，即先把活塞顶面的温度看作恒定的平均温度，而活塞环和活塞裙部的对外传热程度等效为各部分的换热系数。 根据缸内流体动力学仿真分析得到的结果（因本文只分析了压缩过程，其它冲程的缸内热力数据可以参考相关的物理试验资料），可以计算出内燃机在一个工作循环内，活塞顶面的平均温度，将其加入活塞模型的上表面。 （三）边界条件的设置 在活塞环槽、活塞环岸以及活塞裙部设置表面换热边界条件（Surface Convection Condition），等效为外界流体的对流导热系数1.8、流体温度180 ℃，并在负荷约束设置中包括指示温度（Prescribed Temperatures）和模型的轴对称（Cyclic Symmetry），至此形成一个完整的有限元热力仿真模型。 （四）计算结果及分析 形成仿真模型后运行分析，可以得到活塞的温度场分布和热流密度分布，如图2 和图3 所示。 从图2 可以看出，该活塞在反复变化的燃气温度作用下的稳态温度最大值是887 ℃，最高温度出现与高温燃气直接接触的活塞顶面。由于该部位正对着高速流动的燃气，紊流传热造成该部分的换热系数高于活塞其它部分的传热系数，在施加传热系数时考虑了这一因素的影响，加大了顶面的传热系数，综合作用的结果使得活塞顶部出现了温度最大值。活塞裙部的下端温度最低，约为256℃；活塞销座部分的温度值在382℃～446℃。从图2 还可以看出沿活塞轴线方向从上往下，温度迅速下降。 由图3 可知，活塞的最大热流量为5.344W/mm2，最小热流量为1.202W/mm2，最大热流量位置位于活塞的第1环槽处。从图3上也可以看出，由燃气转入活塞顶的热量大部分都通过活塞环传给了气缸壁和冷却水，而通过活塞裙部和活塞内腔传给表面空气的热量占的比例则很小，这些与国内研究者实验研究结果相符合。 三、活塞的结构分析 （一）仿真环境设置及参数的定义 与热力分析类似，在Pro/E下取活塞零件的1/4作为分析的简化模型，并将其转换至Pro/MECHANICA仿真环境中，继承其完整的几何信息。 选取结构分析模式（Structure），采用与热分析相同的活塞材料铝合金AL2014，设置模型材质（Model Materials）的疲劳属性（Fatigue）的屈服极限（Ultimate Tensile Strengths）数值为492.98N/mm2，并将材料设为铝合金（Aluminum Alloys），选取Surface Finish为刨光（Polished）。 （二）约束确定 约束的确定需按照以下原则进行： 1．模型对称面上的每个节点，在该平面内的法向线位移均为0； 2．活塞销座的内上侧节点的径向位移为0； 3．活塞销座的下半部节点Z 向的位移为0。 依据上述原则，先建立以活塞销轴线为Z坐标轴且原点与活塞销局部坐标系原点重合的全局柱坐标系，然后建立与活塞销座上表面重合的约束面，约束位移方向为柱坐标系的径向；建立2个对称分割面的约束，在Constrain下施加对称面上的约束，约束的位移方向分别为X和Y方向，使2个对称面上的轴向位移为0。 （三）计算工况及压力载荷的施加 选取最大爆发压力工况作为计算工况，该工况曲轴转角大致在7°附近，连杆传给活塞的力只偏离Y 轴2°，因此将只考虑Y方向力的作用，即最大爆发压力、活塞往复惯性力和活塞销座分布力的作用。 压力载荷为气缸内工作气体压强使活塞顶面受到高压作用，为简化分析可以使用稳态过程，但是不能忽视燃烧作功冲程对活塞产生的冲击载荷的影响。所以这里先将活塞顶面受到的平均压力设为高于实际水平，即其值靠近一个工作循环中的尖峰压力，以确保活塞疲劳寿命评估的可靠性。 同样，利用缸内流体动力学仿真分析得到的结果，可以计算出内燃机在一个工作循环内，活塞顶面的平均压力（这里将其数值设为4.5N/mm2，高于得到的平均压力），将其作为表面压力载荷（Surface Pressure Load）加入活塞模型的上表面，如图4和图5所示。 在Analysis下建立一个分析，这个分析代表了活塞的受力分析，在Analysis的环境下，在执行Startrun命令过后Pro/E会对活塞进行自动的网格划分，然后进行计算。 （四）计算结果及分析 建立仿真模型后，运行分析程序可以得到活塞在压力载荷（LoadSet1）作用下的应力分布，如图6 所示。 活塞工作时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。 由图6可以看出，最大应力出现在活塞销座上表面，这与理论分析相符。由于活塞在上止点附近向下运动时活塞销会发生弯曲变形，使活塞销座也出现变形，而销座上表面的较大刚度阻止活塞销座的形变，从而导致了活塞销座的上表面内侧边缘出现了局部应力集中。最大等效应力值为145MPa，活塞的其他大部分部位等效应力值都在30MPa以下。 四、活塞的热力和结构耦合分析 在Thermal环境下，建立活塞的热边界条件，建立热分析Thermal后，在Structure环境下加载活塞的力和约束的边界条件，然后在此环境下通过MECTEM 的方式将热分析Thermal以力载荷的形式加载到力分析中去，建立一个静态的力学分析Structure（其中Structure包含Thermal），得到热力和结构耦合的仿真模型（StrucThermal）如图7所示。启动Startrun的命令后，系统会自动划分网格并加以分析，可以得到活塞的热力和结构耦合应力云图，如图8 所示。 活塞受到高温燃气和压力载荷共同作用，在同样受到对称剖面法向、销座上表面的节点的径向以及销座下表面的Z向的位移均为0的情况下，活塞会产生耦合应力。 由图8可见，有热载荷时活塞的应力分布比没有热载荷时的应力分布更加均匀。有限元分析结果表明，耦合作用下活塞的受力趋势与压力载荷作用下的趋势一致，但相应的等效应力较压力载荷时有所提高。最大等效应力为出现在销座与销的接触面上，销座内侧边缘存在局部应力集中现象。这与活塞只受压力负荷时的结果接近，说明活塞的机械应力占主导地位。 五、活塞的运行疲劳寿命分析 设置活塞的疲劳寿命极限（Fatigue Life）的期望值（Desired Endurance） 为109（即希望内燃机在10亿次循环中不产生疲劳失效），如图9所示。得到的运行结果如图10所示，可以看出经系统计算后将1×1020作为活塞的疲劳寿命，远大于所设的期望值。疲劳寿命的分布如图11所示，可见活塞构型中疲劳寿命最小的即最“脆弱”部分的疲劳寿命值为1×109.854，也大于期望值，说明这里该活塞结构完全可以满足工作需要。同时，可以看出这种活塞结构中最易产生疲劳失效的部位出现在活塞销座的上表面且靠近连杆小头的边缘部分。分析结果为改进活塞的结构设计提供了参考。 六、结论 通过对内燃机活塞在一个工作循环（四个冲程）的平均温度场和应力场进行有限元分析，为其热应力及散热性评估及改进活塞的结构设计提供了参考依据。 1．在活塞的有限元分析中，热分析是整个耦合分析的基础环节，传热边界条件的确立是决定热分析准确度最主要的因素。 2．在热载荷作用下，活塞最高温度出现在活塞顶面，最低温度发生在活塞裙部下端。活塞的主要热量是从活塞环处流失的。第1环槽部分的温度过高，这与油槽的尺寸关系很大，因为尺寸较大的油槽切断了活塞顶部向裙部的热传导，使活塞顶部形成热积累。 3．活塞在燃气爆发压力、往复惯性力及活塞销座的分布力作用下，危险应力位置在活塞销座上表面的内侧边缘，最大等效应力值为145MPa。 4．在燃气爆发压力和热载荷的共同作用下，活塞的应力值以压力载荷应力为主。耦合作用下活塞的受力趋势与压力负荷作用下的趋势一致，相应的等效应力较压力载荷时有所提高。最大等效应力出现在销座与销的接触面上，活塞销座内侧边缘存在局部应力集中现象，该处为活塞可能发生失效的位置。 5．活塞的运行疲劳寿命分析表明，活塞构型中疲劳寿命最小的即最“脆弱”部分的疲劳寿命值大于期望值，表明该活塞结构完全可以满足工作需要。 参考文献： 1．冯立岩，高希彦，夏惠民等.8E160 柴油机活塞组热负荷及机械负荷耦合分析[J].内燃机学报，2002，20（5）：441- 446. 2．薛明德，丁宏伟，王利华．柴油机活塞的温度场、热变形与应力三维有限元分析[J].兵工学报，2001，22（1）：11-14. 3．雷基林，申立中，毕玉华等.有限元分析方法在内燃机活塞研究中的应用[J].拖拉机与农用运输车，2005，（4）：10-13. 4．马迅，赵刚.发动机活塞的热结构耦合分析[J].机械设计与制造，2005，（11）：40-42.。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/15/2007)