【正文】 相應(yīng)的邊界條件，由于物體的 8 幾何形狀復(fù)雜或者某些特征是非線性的，也很難得到其力學(xué)問題或場問題的解析解。 有限元法是當(dāng)今工程分析中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計算方法?；钊前l(fā)動機(jī)工作條件最嚴(yán)酷的零件。 陶瓷材料具有極高的硬度，其硬度大多在 1500HV以上。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應(yīng)力?；钊N座位于活塞裙部的上部，加工有座孔，用以安裝活塞銷。在常溫下活塞裙部斷面制成長軸垂直于活塞銷方向的橢圓形，以保證在熱態(tài)下活塞與氣缸的配合間隙均勻。 （ 2）活塞頭部。 b設(shè)計 方案的擬訂 ：設(shè)計基礎(chǔ)和條件，有限元方法的運用 ） 繪制平面圖、 創(chuàng)建 3D 有限元模型 （ 自底向上和自頂向下建模方式、從其他CAD 中建模后導(dǎo)入、比較分析他們的不同、選擇合適的網(wǎng)格劃分方式，指出劃分精度對分析結(jié)果的影響 ） 加載 （說明加載方式、部位） 、求解 （靜態(tài)和模態(tài)方式求解） 結(jié)果后處理 （截圖說明計算的結(jié)果大小和危險點的部位） 分析結(jié)果評價 （通過結(jié)果比較說明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)是否合理） 設(shè)計小結(jié)（設(shè)計體會、本次 設(shè)計 的優(yōu)缺點及改進(jìn)意見等） 參考資料（資料的編號 [ ]，作者，書名，出版單位和出版年、月） 參照格式要求（字體大小、行間距、序號等） 三、進(jìn)度安排 第 15 周 周一 教師布置題目和內(nèi)容； 周二 學(xué)生查閱收集相關(guān)資料進(jìn)行 分析 ； 周三 繪制平面圖 ； 周四 創(chuàng)建 實體 模型； 周五 創(chuàng)建 有限元 模型 第 16周 周一 加載 _求解 _后處理； 周二 分析結(jié)果評價 周三 課程設(shè)計總結(jié)； 周四 編寫課程設(shè)計說明書；周五 答辯 ； 四、基本要求 1. 了解有限元分析的基本原理和方法； 2. 熟悉有限元分析軟件（ ANSYS）的圖形用戶界面和菜單； 3. 能熟練創(chuàng)建二維和三維有限元分析模型； 4. 會使用指定的單元對有限元分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，也能對一些簡單的有限元分析模型選擇合適的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 5. 能熟練使用工程力學(xué)的知識來確定模型的約 束條件和受力的類型； 4 6. 會使用有限元分析軟件對有限元分析模型進(jìn)行計算； 7. 能熟練掌握有限元分析后處理過程，并對計算結(jié)果作出正確的評價； 8. 掌握使用有限元分析方法對機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程； 車輛與交通 教研室 5 第 1 章 緒 論 活塞是發(fā)動機(jī)的重要部件之一，與連桿構(gòu)成發(fā)動機(jī)的心臟，活塞通過運動將燃?xì)鈮毫鬟f給連桿再至曲軸輸出，工作時受力非常復(fù)雜。 二、課程設(shè)計內(nèi)容 1． ANSYS 有限元分析軟件簡介、功能概覽和分析案例； 2． ANSYS 圖形用戶界面及基本操作方法； 3．創(chuàng)建 3D 有限元模型 ； 4．加載、求解、結(jié)果后處理 ； 5．分析結(jié)果評價 。 結(jié)構(gòu)特點 （ 1）活塞頂部是燃燒室的組成部分，承受高溫氣體的壓力。還有些 活塞在第一道環(huán)槽的上方設(shè)有隔熱槽，以減少活塞頂部向下傳遞的熱量。活塞裙部開槽會降低其強(qiáng)度和剛度，一般只適用于負(fù)荷較小的發(fā)動機(jī)。 活塞設(shè)計的 性能要求 （ 1）熱強(qiáng)度高。高的耐磨性是鋁基復(fù)合材料（ SiC、 Al203 增強(qiáng)）的特點之一。工業(yè)體系中對陶瓷材料的利用也不太成 熟，可靠性不高。由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，會使活塞頂部出現(xiàn)疲勞熱烈現(xiàn)象，因此，活塞部件的設(shè)計是否合理，將直接關(guān)系到發(fā)動機(jī)的可靠性、壽命、排放、經(jīng)濟(jì)性等至關(guān)重要的參數(shù)。同時，上述分析的研究的結(jié)果，用于活塞機(jī)械疲勞失效行為分析，可以為優(yōu)化設(shè)計提供精確的理論依據(jù)。 有限元離散化是假想把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并認(rèn)為相鄰單元之間僅在節(jié)點處相連。 圖 32 11 在 ANSYS 中建立 3D 模型 建模過程 ① 首先畫出內(nèi)槽的三個實體棱形、圓柱體、球，然后通過布爾運算的交運算求出他們的共同體即可得到內(nèi)槽； ② 類似的用同樣方法畫出外面的大圓柱體； ③ 運用布爾運算的減運算第②步的減去第①步的； ④ 移動工作坐標(biāo)，畫出兩個空心圓柱體，在運用布爾運算的減運算即可得到環(huán)槽； ⑤ 移動工作坐標(biāo)，切除多余的材料； ⑥ 建立四個關(guān)鍵點，畫出梯形截面 ⑦ 通過截面拉伸處出實體，運用 布爾減運算切除底部的材料； ⑧ 移動工作坐標(biāo)，畫出圓柱體，運用布爾減運算切除底部的材料； ⑨ 移動工作坐標(biāo)，畫出圓柱體，運用布爾減運算切除材料，得到兩個圓柱孔； ⑩ 得到 3D 模型，如圖所示： 圖 33 圖 34 12 第 4 章 加載、求解、結(jié)果后處理（靜態(tài) ） 單元類型設(shè)置 菜單路徑 Main Menu→ Preprocessor→ Element type→ Add/Edit/Delete 命令，彈出Element Type 對話框。拾取頂面，單擊 OK 按鈕。 由圖 45 可以看出，總的節(jié)點位移最大值為 ；節(jié)點變形結(jié)果中最大的解為 ，發(fā)生在活塞的最頂部。劃分精度為 4，此模型劃分為 19153 個單元，共 30074 個節(jié)點。 由圖 52 所示結(jié)果可以看出，前三階為0，這是因為 自由模態(tài)分析的前三階為剛體模態(tài)。 圖 55 第 6 階振型 圖 56 第 7 階振型 由圖 55 可以看出，總的節(jié)點位移最大值為 ；節(jié)點變形結(jié)果中最小的解 19 為 ；節(jié)點變形結(jié)果中最大的解為 。在做課程設(shè)計的過程中 ,大家都有很高的積極性 ,同學(xué)分工協(xié)作和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，共同摸索。我想這對我以后的學(xué)習(xí)和工作都將會有很 大的幫助盡管實習(xí)很短暫，但是我們都有所收獲，再次感謝周老師細(xì)心的指導(dǎo)，為了明天我會更加努力的奮斗！ 21 參考資料 【 1】仵亞紅 纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的強(qiáng)化、韌化機(jī)制 北京石油化工學(xué)院學(xué)報 2021 年 3 月 【 2】孫康寧 尹衍升 李愛民 金屬間化合物 陶瓷基復(fù)合材料 [M] 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 2021 年 5 月 【 3】張志忠、張麗芳、翁國華等 工程力學(xué)課程設(shè)計講義 上海理工大學(xué)力學(xué)教研室 2021 年 7 月 【 4】鄧凡平主編 有限元分析自學(xué)手冊 人民郵電出版社 2021 年 1月 【 5】龍 馭球，有限元法概論人民教育出版社， 1997 年 7 月 【 6】宋天霞 , 有限元法理論及應(yīng)用基礎(chǔ)教程， 2021 年 7 月 【 7】張志忠、張麗芳、翁國華等編寫 工程力學(xué)課程設(shè)計講義 上海理工大學(xué)力學(xué)教研室 2021 年 7 月 【 8】杜平安 于亞婷 有限元法原理建模及應(yīng)用 國防工業(yè)出版社 2021 年 8 月 【 9】商躍進(jìn)，王紅 有限元原理與 ANSYS 實踐 清華大學(xué)出版社 2021 年 7 月 【 10】謝龍漢 有限元法概論人民教育出版社 1997 年 7 月 。本次實習(xí)我更熟練 地掌握了 ANSYS 軟件，對于設(shè)計過程中的預(yù)處理，建模，網(wǎng)格劃分，加載，計算等步驟有了深層次的了解。 圖 57 第 8 階振型 圖 58 第 9 階振型 由圖 57 可以看出，總的節(jié)點位移最大值為 ；節(jié)點變形結(jié)果中最小的解為 ；節(jié)點變形結(jié)果中最大的解為 。 菜單路徑 Main Menu→ General Postproc→ Read Results→ By Pick，在彈出“ Result File”對話框中選擇血藥子載荷步，單擊“ Read”按鈕，讀取該階的結(jié)果。 施加載荷 本設(shè)計求解自由模態(tài)，不需要施加任何載荷。 圖 48 總的應(yīng)力圖 圖 49 總的應(yīng)力圖 由圖 48 和圖 49 可以看出，總的節(jié)點位移為 ；節(jié)點等效應(yīng)力結(jié)果中最大的解為 ，發(fā)生發(fā)生在兩圓孔表面處；節(jié)點等效應(yīng)力結(jié)果中最小的解為，發(fā)生在活塞的最底部。 活塞在工作時，由于氣體壓力作用在活塞頂部，特別是作功程壓力最大，這就是活塞產(chǎn)生了沖擊，并且承受側(cè)壓力的作用，隨著往復(fù) 14 運動，產(chǎn)生的慣性力使活塞受到很大的附加