【文章內(nèi)容簡介】 、求解 （靜態(tài)和模態(tài)方式求解） 結(jié)果后處理 （截圖說明計(jì)算的結(jié)果大小和危險(xiǎn)點(diǎn)的部位） 分析結(jié)果評(píng)價(jià) （通過結(jié)果比較說明現(xiàn)有結(jié)構(gòu)是否合理） 設(shè)計(jì)小結(jié)（設(shè)計(jì)體會(huì)、本次 設(shè)計(jì) 的優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)意見等） 參考資料（資料的編號(hào) [ ]，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(hào)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(shí)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(píng)價(jià) 周三 課程設(shè)計(jì)總結(jié)； 周四 編寫課程設(shè)計(jì)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(huì)使用指定的單元對(duì)有限元分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，也能對(duì)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(shí)來確定模型的約 束條件和受力的類型； 4 6. 會(huì)使用有限元分析軟件對(duì)有限元分析模型進(jìn)行計(jì)算； 7. 能熟練掌握有限元分析后處理過程，并對(duì)計(jì)算結(jié)果作出正確的評(píng)價(jià)； 8. 掌握使用有限元分析方法對(duì)機(jī)械構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程； 車輛與交通 教研室 5 第 1 章 緒 論 活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，與連桿構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟，活塞通過運(yùn)動(dòng)將燃?xì)鈮毫鬟f給連桿再至曲軸輸出，工作時(shí)受力非常復(fù)雜。 題目分析 工作特點(diǎn) 在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活 塞直接與瞬時(shí)溫度 2200 攝氏度的高溫氣體壓力，汽油機(jī)達(dá)4MPa~5MPa，柴油機(jī)高達(dá) 8MPa~9MPa，甚至更高；這就使得活塞陳勝?zèng)_擊，并承受側(cè)壓力的作用。此外，活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)線速可達(dá) 11m/s~16m/s；在這種惡劣的條件下工作，且速度在不斷地變化，這就產(chǎn)生很大的附加載荷?；钊惺苤邷亍⒏邏旱臒嶝?fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。因此活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)中熱傳遞能量的一個(gè)非常重要的構(gòu)件。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) （ 1）活塞頂部是燃燒室的組成部分，承受高溫氣體的壓力?；钊捻敳坑衅巾?、凸頂、凹頂、成形頂?shù)炔煌螤?，有些活塞頂?在與氣門對(duì)應(yīng)的位置上有凹坑，是為防止活塞在上止點(diǎn)與氣門相碰而設(shè)的?；钊孜恍蛱?hào)、加大尺寸、安裝向前標(biāo)記等一般也刻在活塞頂部。 （ 2）活塞頭部。是指活塞環(huán)槽以上的部分，主要用來安裝活塞環(huán)，以實(shí)現(xiàn)氣缸的密封?；钊^部加工有安裝活塞環(huán)的環(huán)槽，一般有 3~4 道環(huán)槽，最下面一道環(huán)槽安裝油環(huán)，其它環(huán)槽安裝氣環(huán)。油環(huán)環(huán)槽底部的孔是讓氣缸壁上多余的潤滑油通過活塞內(nèi)腔流回曲軸箱。有些油環(huán)槽的底部是一條較窄的槽，除回油作用外，還有減少活塞頭部向裙部傳遞熱量的作用，所以稱之為隔熱槽，有些活塞的隔熱槽設(shè)在油環(huán)槽下方的活塞裙部。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。 （ 3）活塞裙部。活塞環(huán)槽以下的部分稱活塞裙部，為活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用。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。在常溫下活塞呈上小下大的錐形。 有些活塞裙部除設(shè)有隔熱槽外，還有膨脹槽，膨脹槽可使活塞裙部具有一定的彈性，在低溫時(shí)與氣缸的配合間隙較小并且高溫時(shí)又不致在氣缸中卡死。膨脹槽必須斜 6 切，不能與活塞軸線平行，以防導(dǎo)致氣缸磨損不均勻。為防止切槽處裂損，在隔熱槽和膨脹槽的端部都必須加工止裂 孔?；钊共块_槽會(huì)降低其強(qiáng)度和剛度，一般只適用于負(fù)荷較小的發(fā)動(dòng)機(jī)。為限制活塞裙部的膨脹量，有些活塞在銷座中鑲鑄有膨脹系數(shù)較低的“恒范鋼片”。 （ 4）活塞銷座?；钊N座位于活塞裙部的上部，加工有座孔，用以安裝活塞銷。在活塞銷座孔內(nèi)一般加工有卡環(huán)槽，以便安裝活塞銷卡環(huán)，防止活塞銷工作時(shí)軸向竄動(dòng)。有些活塞銷座上加工有油孔，以便飛濺的潤滑油對(duì)活塞銷與座孔進(jìn)行潤滑。為減小活塞銷座處受熱后的變形量，有些活塞的銷座外表面是凹陷的。在活塞內(nèi)腔的活塞銷座與活塞頂部之間一般鑄有加強(qiáng)筋，以提高活塞的剛度。 活塞設(shè)計(jì)的 性能要求 （ 1）熱強(qiáng)度高。在高溫下仍有足夠的機(jī)械性能，使零件不致?lián)p。 （ 2）導(dǎo)熱性好，吸熱性差。以降低頂部及環(huán)區(qū)的溫度，并減少熱應(yīng)力。 （ 3）膨脹系數(shù)小。使活塞與氣缸間能保持較小間隙。 （ 4）比重小。以降低活塞組的往復(fù)慣性力，從而降低了曲軸連桿組的機(jī) 械負(fù)荷和平衡配重 材料選取 通過分析各項(xiàng)材料的數(shù)值和性能，發(fā)現(xiàn)鋁基復(fù)合材料密度低，有良好的尺寸穩(wěn)定性，增強(qiáng)體的加入在提高鋁基復(fù)合材料強(qiáng)度和模量的同時(shí)，降低了塑形。高的耐磨性是鋁基復(fù)合材料（ SiC、 Al203 增強(qiáng)）的特點(diǎn)之一。鋁基復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度一 般比基體金屬高，而斷裂韌性卻下降。鋁基復(fù)合材料的價(jià)格相對(duì)比較便宜，在工業(yè)體系中對(duì)鋁金屬的加工利用也相對(duì)比較成熟，在這方面的研究與生產(chǎn)都相對(duì)成熟，具有更高的可靠性。 陶瓷材料具有極高的硬度，其硬度大多在 1500HV以上。具有優(yōu)于金屬的高溫強(qiáng)度和高溫抗蠕變能力，熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率低、化學(xué)穩(wěn)定性高、抗氧化性能優(yōu)良。但是其抗拉強(qiáng)度低，抗壓強(qiáng)度較高，具有高彈性模量、高脆性韌性差。陶瓷材料加工雖然有很多方法，但加工成本高、加工效率低、加工質(zhì)量不理想。陶瓷的加工余量大、加工刀具費(fèi)用大。工業(yè)體系中對(duì)陶瓷材料的利用也不太成 熟，可靠性不高。 綜上所述，活塞材料最終確定為鋁基復(fù)合材料 —— 鋁合金 5083H112。 7 設(shè)計(jì)方案的擬訂 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和條件 首先我們對(duì)活塞進(jìn)行了分析?；钊前l(fā)動(dòng)機(jī)工作條件最嚴(yán)酷的零件?；钊ぷ鲿r(shí)，頂部承受了很高的燃?xì)鈮毫Γ易鐾鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的活塞組的慣性力將達(dá)到很高的數(shù)值。此外，活塞還要承受連桿傾斜位置時(shí)側(cè)壓力的周期性沖擊。在氣體壓力、往復(fù)慣性力和測壓力的綜合作用下，活塞的機(jī)械負(fù)荷相當(dāng)嚴(yán)重，造成了活塞變形、活塞裙部磨損、活塞銷座開裂等不良后果。由于活塞頂部的燃?xì)鉁囟群芨?，且分布不均勻，使得?塞熱膨脹量增大，從而破壞活塞與氣缸壁之間的正常間隙。由于冷熱不均勻所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，會(huì)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(jì)是否合理，將直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)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)。 因此，進(jìn)行活塞疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)以及有限元模擬分析。目前，針對(duì)活塞零件進(jìn)行試驗(yàn)分析主要分為兩類，溫度場下產(chǎn)生的熱疲勞試驗(yàn)和機(jī)械交變載荷作用下的機(jī)械疲勞試驗(yàn)。 有限元法是當(dāng)今工程分析中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。由于它的通用性和有效性，所以受到工程技術(shù)界的高度重視。有限元計(jì)算結(jié)果可以作為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析 的可靠依據(jù)。使用有限元法分析活塞模型，可以很直接地分析活塞零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題，熱負(fù)荷問題，而研究分析的結(jié)果與試驗(yàn)相結(jié)合將驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行的有效性。 鑒于此，采用有限技術(shù)，應(yīng)用 ANSYS 軟件對(duì)活塞進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析及相應(yīng)的非線性分析，研究活塞組件在不同情況下的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)、變形分布規(guī)律及其危險(xiǎn)部位，將具有非常重要的意義。同時(shí)，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(jì)提供精確的理論依據(jù)。 有限元方法的運(yùn)用 活塞結(jié)構(gòu)為三維不規(guī)則的幾何體，而且所受載荷極為復(fù)雜，對(duì)其結(jié)構(gòu)分析 和設(shè)計(jì)，長期以來采用試驗(yàn)分析和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法。由于測量方法的局限性和測試技術(shù)的復(fù)雜性，它們的應(yīng)用受到一定的限制，加上試驗(yàn)周期較長、費(fèi)用較高，要想通過對(duì)大量不同方案的測試研究來尋求一個(gè)最佳設(shè)計(jì)，往往是困難的和不合算的。而且對(duì)于活塞組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，即使得到問題所遵循的基本方程和相應(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。在這種情況下，采用有限元法進(jìn)行其工作狀態(tài)的仿真，將為活塞組的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)提供有力的手段。 有限元法其基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有 限的且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。 有限單元法分析問題的思路是從結(jié)構(gòu)矩陣分析推廣而來的。起源于 50 年代的桿系結(jié)構(gòu)矩陣分析，是把每一桿件作為一個(gè)單元，整個(gè)結(jié)構(gòu)就看做是由有限單元連接而成的集合體，分析每個(gè)單元的力學(xué)特性后，再組集起來就能建立完整的力學(xué)方程式，最后利用計(jì)算機(jī)求解。 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(diǎn)處相連。根據(jù)物體的