英语原文共 12 页
使用ANSYS软件对内燃机活塞进行机械分析和热分析
V G Cioată, I Kiss, V Alexa and S A Rațiu
摘要
活塞是内燃机最重要的部件之一。活塞失效的主要原因是机械应力和热应力。本文采用有限元方法，分别确定了由烟气压力和温度引起的应力和位移分布，并进行了组合计算。其中有限元分析过程是通过CAD和CAE软件执行的。我们将软件分析得到的计算结果与用解析法得到的结果进行比较，并得出了相应的结论。
1.介绍
由于活塞在内燃机中所起的作用和作用在活塞上的载荷复杂，因此活塞是内燃机的重要组成部分。在活塞上，同时施加有热负荷和机械负荷。活塞对热负荷和机械负荷的抵抗力限制了内燃机的功率。
因此，在活塞的设计阶段，非常重视确定由于机械载荷和热载荷引起的应力和变形，这是许多关于这一问题的科学论文所揭示的一个方面。对文献[1-6]的研究表明，作者利用CAD软件对活塞进行了三维建模，利用CAE软件确定了活塞的应力和变形，并进行了有限元分析，研究了活塞在机械载荷和热载荷作用下的表现。
本文采用有限元方法，考虑到活塞在机械载荷(烟气压力)和热载荷(烟气温度)作用下的独立作用和耦合作用(机械-热载荷)，确定了活塞在机械载荷(烟气压力)和热载荷(烟气温度)作用下的应力和变形。
我们将分析所得的计算结果与用解析法得到的结果进行了比较，并得出了相应的结论。
软件Autodesk Inventor Professional用于获取活塞的三维模型，软件ANSYS Workbench V.15用于有限元分析。
2.初始数据
本研究考虑一种平头活塞，由两个压缩段和一个润滑段组成。为了防止从活塞头到第一段的热流方向，防火段的通道被放置在活塞底部的下方。为了同样的目的，进气口区域和活塞底部是广泛连接。活塞罩的长度必须足够长，以提供良好的导向，较低的侧压和限制倾斜。
(a) (b)
图1:活塞的尺寸(a)和活塞的三维模型(b)
根据最初的数据和文献[7]、[8]的建议，我们建立了活塞的主要尺寸，并在此基础上建立了三维模型(图1，a和b)。
活塞使用的材料是硅基铝合金。我们将使用ATC12CuMgNi共晶合金，要用到的ATC12CuMgNi共晶合金的材料特性列在了表1中。
表1：材料特性
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材料特性 |
数值 |
|
导热系数 |
见图2 |
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热膨胀系数 |
2.3 * |
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比热容 |
875 J/kg0C |
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密度 |
2770 kg/m3 |
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杨氏模量 |
7.1*104 MPa |
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泊松比 |
0.34 |
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拉伸屈服强度 |
280 MPa |
|
抗拉极限强度 |
310MPa |
3.活塞的分析计算
在受到热应力和机械应力方面，活塞是最常用到的部分，因为它接触到烟道气体的同时还接受压力。因此，本文采用了活塞头部应力的解析计算方法，这些应力是由活塞头部的载荷引起的。
3.1活塞头机械应力的解析计算
我们使用文献[7]、[8]中所述的公式和术语，对机械应力（）进行了解析计算。我们将活塞头看作是一个圆板，该圆板嵌在活塞头内径给定的轮廓线上，具有恒定的厚度和由气体的最大压力提供的均匀分布的载荷。
在这种板中，出现了径向应力()和切向应力()，它们的极值出现在板的中心(C)和嵌入处(M)、底面(B)和顶面(T)。
图2：导热系数
3.2活塞头部的热应力的解析计算
热应力（）是由活塞头部的温度分布不均匀而产生的，其扩展方式是自由的或受限制的。在扁平活塞的情况下，最高温度在活塞的中心达到，然后温度降至最低。
我们建立了活塞头部的热应力如下：将活塞头部看作一个圆板，在轴对称的温度场作用下，活塞头部在轮廓线上自由运动，厚度恒定，从而确定了活塞头部的热应力（）和（）。我们考虑到活塞的侧壁阻止了头部的自由膨胀，导致在活塞表面产生压力，从而引起径向应力（）和切向应力（）。同时我们还考虑到活塞头厚度的线性温度变化，在径向()和切向()方向上存在弯曲应力，两者之间的应力相等。切向热应力和径向热应力是通过叠加效应原理来确定的，得到了（）和（）。
3.3活塞头部的机械热应力的解析计算
活塞头部的中（）和（）出现的机械热应力()也是应用叠加效应原理确定的。
表2：分析演算的结果，以MPa为单位
|
应力种类 |
位置 |
|||
|
（m） （c） |
||||
|
机械应力 |
径向 |
（t） |
63.69 |
-42.84 |
|
（b） |
-63.69 |
42.84 |
||
|
切向 |
（t） |
21.74 |
-42.84 |
|
|
（b） |
-21.74 |
42.84 |
||
|
热应力 |
径向 |
（t） |
-15.63 |
-25.21 |
|
（b） |
-7.11 |
-16.69 |
||
|
切向 |
（t） |
17.11 |
-25.21 |
|
|
（b） |
26.93 |
-16.69 |
||
|
机械-热应力 |
径向 |
（t） |
48.32 |
-68.05 |
|
（b） |
-71.06 |
26.15 |
||
|
切向 |
（t） |
38.85 |
68.05 |
|
|
（b） |
5.25 |
33.94 |
||
|
等效应力 |
(Tresca) |
（t） |
48.32 |
68.05 |
|
（b） |
76.31 |
33.94 |
||
|
(Mises) |
（t） |
44.34 |
68.05 |
|
|
（b） |
73.82 |
30.79 |
||
在设计计算中，我们建议采用等效应力，用阻力理论确定。由于板的中心和边缘都存在二维应力空间，因此我们可以采用最大剪应力理论。如果张力和具有相同的符号，则将最大应力视为绝对值，并将其与许用应力进行比较。如果这两个应力具有不同的符号，则将计算绝对值之和，并将其与许用应力进行比较。同时，利用等效理论计算的等效应力可以根据平面应力状态进行定制。
图3：论文中出现的符号
通过计算得到的结果见表2，使用的符号的意义如下：(t)-活塞头的顶面，(b)-活塞头的底面，(m)-边缘，(c)-活塞头的中心(图3)，-最大剪应力和-von Mises应力。
4.活塞的有限元分析
4.1机械载荷作用下的活塞的有限元分析
为了对活塞在作用气体压力时进行有限元分析，我们使用ANSYS Workbench V.15.1对活塞进行了结构分析。
在此阶段，活塞的分析为线性静态分析，当刚度发生微小变化时，载荷方向不发生变化，材料保持在线性弹性区域内，产生较小的变形和应力。
活塞模型在Autodesk Inventor中创建，并在此程序中另存为*.sat，然后导入到ANSYS Workbench中。
1
径向应力
类型：正应力（x轴）
单位：MPa
图4；机械载荷作用下的径向应力- 图5；机械载荷引起的径向
截面上 应力-在三维模型中
气体压力是活塞所承受的主要机械应力，本文认为通常作用在活塞头顶面的压力为6.5 MPa。此外，螺栓孔的所有自由度都是受约束的。
我们得到了应力场和变形场的计算结果。对于目前的情况，由于分析确定了活塞头部的径向和切向法向应力，这些尺寸的值域显示在了理想的区域中。
切向应力
类型：正应力（Y轴）
单位：MPa
切向应力
类型：正应力（Y轴）
单位：MPa
图6：机械载荷作用下的切向应力-截面上 图7：机械载荷引起的切向
应力-在三维模型中
总变形
类型：总变形
单位：mm
总变形
类型：总变形
单位：mm
图8：机械载荷作用下的总变形- 图9：机械载荷引起的总变形-
截面上 三维模型中
径向正应力场如图4和图5所示：在穿过活塞轴的截面和3/4截面(图5)上，螺栓在孔的轴线上有一个垂直平面(图4)。法向正应力在图6和图7中以同样的方式显示。机械载荷作用下的总变形在图8和图9中以同样的方式显示。
4.2活塞在热载荷作用下的有限元分析
设计的活塞在高温条件下运行，达200至250摄氏度。在下文中，我们提供从活塞的热分析获得的结果，以确定活塞体中的活塞温度场和由于活塞体中的不同温度引起的热应力。
热对流系数：90℃，750w/m2.℃
热通量：91times;105w/m2
热对流系数：90℃，2330 w/m2.℃
图10：热分析的载荷和约束
该分析是一种稳态热分析。
在活塞上作用一个热通量（291times;103 W/m2），将该热通量施加到活塞头的上表面。活塞和活塞与气缸之间的油膜之间的传热是通过对流进行的，这种情况需要对流传热系数等于2330W / m2·℃，温度为900℃。活塞和机油的内表面之间的对流换热系数为750W/m2C，与机油的温度相同-图10。
图11：由热流引起的活塞温度场 图12：由热流引起的活塞温度场
温度
单位：℃
结果如下图所示。因此，活塞体中的温度场如图11和12所示，从图中注意到热流确定了活塞头顶面上的最高温度，该温度朝向其边缘减小。
热负荷以及机械负荷决定了活塞体内的热应力和变形。 这些可以通过使用所进行的稳定分析的热条件进行静态分析来确定。
作为约束，需要结合活塞螺栓的孔的自由度，并且得到热应力和变形的结果。资料编号：[3644]
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