【正文】 %來施加，第一道環(huán)槽底按照頂部氣體壓力的 76%來施加，第一環(huán)岸和第二道環(huán)槽上下面按照頂部氣體壓力的 25%來施加，第二道環(huán)槽底按照頂部氣體壓力的 20%來施加，第二道環(huán)槽以下的燃氣壓力作用效果很小，予以忽略不計。如圖 所示。20 / 40根據(jù)動力學計算結果，活塞所受的往復慣性力方向向上，與活塞運動加速度方向相反，如圖 所示。圖 燃氣壓力和慣性力的分布 活塞組邊界條件的確定為了使活塞不產生剛體位移，必須給出合適的位移約束。通常用一些具有簡單分布規(guī)律的力和位移作為邊界條件，當邊界條件比較復雜時，位移約束條件難確定，一些簡單的假設往往會帶來較大誤差。一般位移邊界條件：（1）預定邊界位移為零（2）某一節(jié)點位移為己知量。如：對某一節(jié)點位移為己知值。根據(jù)上面的理論，本研究采用下面的方法來確定活塞的位移邊界條件：，在該平面內的法向位移均為 0；，位移均為 0。活塞組的載荷約束條件如下圖 21 / 40圖 活塞組的加載情況 活塞組有限元模型為了獲得準確的計算結果，應合理確定有限元劃分方案，這樣既保證計算精度，又不會耗時過多。在確定劃分方案之前，有必要進行一些測試，以選擇合適的計算網(wǎng)格，如果局部結果偏差較大，則進行局部修正，研究采用的網(wǎng)格劃分方案如圖 所示。活塞共用了20216 個 10 節(jié)點四面體單元來描述，單元類型為 SOLID187；銷共用了 1520 個 20 節(jié)點六面體單元來描述，單元類型 SOLID95；接觸對單元 855 個，單元類型為 TARGE170 和CONTA174；單元總數(shù)為 22591，節(jié)點總數(shù)為 42915 個。綜合考慮單元數(shù)和計算時間兩方面因素，本文活塞采用采用自由網(wǎng)格劃分，對受力較大的燃燒室，活塞環(huán)岸，及銷孔處進行細化；銷采用了掃描劃分，得到了較好的效果。實踐證明，本文活塞網(wǎng)格剖分的單元數(shù)和節(jié)點數(shù)既能滿足工程精度要求，又不會耗費較多計算器時間。活塞有限元模型如圖 所示。22 / 40圖 活塞組的有限元模型23 / 40第3章 活塞組應力及變形的研究 活塞組在機械載荷下的變形研究本文研究單個活塞在膨脹沖程和作功沖程下其變形情況，主要分析了活塞在各種機械載荷作用下的變形?；钊M整體變形與變形前比較如下圖 ：圖 活塞整體變形比較圖 活塞組的總體變形圖如下 ：24 / 40圖 活塞組總體變形圖 由兩圖可知活塞頂部和裙部均發(fā)生很不均勻的變形，作用在頂部的載荷起到主要作用，因活塞頂部受到的壓縮作用使得變形較大且集中，由于力的傳遞也使裙部和活塞銷部位出現(xiàn)變形。最大變形出現(xiàn)在活塞頂部，和裙部，達 ，活塞銷孔處最大變形出現(xiàn)在內側上端邊緣，最大為 。 活塞組在機械載荷作用下應力分析活塞組在軸線方向的應力分布如下圖 ：25 / 40圖 活塞組軸向應力分布圖 活塞組的等效應力分布如圖 ：26 / 40圖 活塞組的等效應力分布圖由兩圖可知銷孔內側邊緣處有應力集中最大為 127MPA，最大應力出現(xiàn)在銷截面的邊緣，最大為 ，由于本文主要分析活塞的應力分部，及銷孔處的應力，這在此不考慮。27 / 40第4章 活塞銷孔結構改進后的有限元分析上文提到，由于發(fā)動機燃燒時的爆發(fā)壓力很大，活塞銷孔處應力很高，為了降低銷孔表面應力峰值，活塞銷孔要做結構改進設計，從而提高銷孔的承載能力。本文選用鑄鋁青銅材料，鑲嵌于活塞銷孔內壁的結構形式。 襯套的材料及幾何模型的確定活塞襯套的材料如下表 ：表 襯套的材料性能零件 材料 E（GPa） ）（ 3kg/m??（?）（Mpab）銷孔襯套 鑄鋁青銅 105 7500 200 540針對本文所分析的活塞銷孔結構，設計出銷孔襯套。如圖 （A）襯套實體圖，(B)襯套結構示意圖:半徑為 18MM，襯套厚度為，長度為 。 圖 （A） 襯套的三維實體圖 圖 （b） 襯套結構示意圖28 / 40 活塞組有限元模型的建立在這里活塞仍采用自由網(wǎng)格劃分，選用 SOLID187 單元，并對對受力較大的燃燒室，活塞環(huán)岸，及銷孔處進行細化進行了網(wǎng)格細化；銷和襯套采用 SOLID95 單元，銷用掃描方法進行網(wǎng)格劃分，襯套用自由網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結果如下圖 圖 活塞組的有限元模型 活塞組的機械載荷及邊界條件的確定改進后的活塞組所收的工作情況和改進前一樣，故所收的機械載荷與邊界條件不變。但襯套與銷孔之間應建立一個過盈配合的接觸對，以模擬實際的工作情況。 活塞組機械載荷下變形的分析活塞組的整體變形與變形前相比如圖 ：29 / 40圖 改進后活塞組整體變形比較圖活塞組的整體變形如圖 ：30 / 40圖 該進后的活塞組整體變形分布圖活塞的最大變形仍出現(xiàn)在活塞頂部，及裙部，最大變形為 ，同改進前有一定的下降；銷孔內側上端仍有較大的變形，但分布較均勻，最大變形 ，同改進前也有所降低。變形基本關于對稱面對稱，從上到下有一定的梯度。 活塞組機械載荷下的應力分析在機械載荷下，活塞在軸線方向的應力分布如圖 ：31 / 40圖 改進后的活塞組軸向應力分布圖活塞組的等效應力分布如圖 ：32 / 40圖 改進后的活塞組的等效應力分布圖從圖中可知活塞組的應力依然很大，但是同改進前的結構相比，襯套上的應力及集中比較明顯，銷孔處的最大應力為 ，有所降低，而且銷孔處的應力分布趨向均勻。33 / 40結 論本文以汽油發(fā)動機為模型，結合有限元知識，用 PRO/E 和 ANSYS 工具對模型進行了分析，并通過在活塞銷孔內嵌套襯套的方法該進模型， ，最后做了對比分析。得到了如下結論：（1）針對本文所研究的活塞，通過分析原活塞的機械應力云圖與變形云圖，得出活塞與活塞銷接觸的銷孔內側上緣出現(xiàn)了較大應力，最大應力值為 127MPA，銷孔部位變形值為。采用銷孔內嵌入鑄鋁青銅襯套活塞，分析得出銷孔內側上緣的最大應力值為，變形值為 。這些數(shù)據(jù)充分說明采用加入銷孔襯套的活塞可以使銷孔表面的應力趨向均勻，變形量減小。（2）本文提出活塞銷孔內嵌入襯套結構方案，通過有限元計算，在機械載荷的用下，整個活塞能夠滿足強度以及變形的要求，活塞銷孔襯套各個部位的應力大小均勻，整個銷孔內側單位面積上應力峰值降低，其能夠承受的最大應力要明顯優(yōu)于原活塞銷結構。（3）活塞銷孔處的失效模式往往是熱負荷、機械負荷共同作用的結果，要分析設計出合理的、可靠的活塞銷孔結構，這兩方面的因素要綜合考慮。作者在翻閱資料的基礎上，發(fā)現(xiàn)提高活塞銷孔的載荷能力，可在應力分析的基礎上，改進銷孔的結構，采用合理的異型銷孔。34 / 40展 望本文利用有限元方法針對活塞在機械載荷下的應力和變形進行了模擬分析，雖然做了一些工作，但由于條件和時間的限制，還存在著一些問題沒有解決，還有很多工作有待于進一步完成。（1）本文只是用有限元法模擬了活塞在機械載荷下的應力和變形，根據(jù)實際工作過程，活塞所承受的熱負荷將會引起活塞燃燒室邊緣的應力集中。希望以后能將熱負荷和機械負荷耦合作用進行分析。（2）本文采用的是簡化模型，其分析結果應同實驗數(shù)據(jù)對比分析，再對模型進行必要的修改，通過反復比較來達到理想的效果。（3）隨著發(fā)動機性能的不斷提高與排放法規(guī)愈來愈嚴格的苛刻要求，活塞承受的最高燃燒壓力越來越大，高溫、高壓的工作環(huán)境使承載最大機械應力的活塞銷孔部位面臨著更大的考驗。采用異型銷孔結構來改善活塞銷孔處的應力分布情況是一種非常重要的方法。35 / 40參考文獻[1] :北京理工大學出版社,[2] 杜平安,甘娥忠,:國防工業(yè)出版社,[3] :機械工業(yè)出版社,[4] 林波,:北京大學出版社,[5] :人民郵電出版社,[6] 李衛(wèi)民,楊紅義, :化學工業(yè)出版社,[7] 張保成,蘇鐵熊,:國防工業(yè)出版社,[8] :中北大學,2022[9] :中北大學,2022[10] 程文虎. :合肥工業(yè)大學,2022[11] :山東理工大學,2022 [12] 夏飛,蘇鐵熊. ,2022,2(2):3436[13] 「J].內燃機.2022，8.[14] 周先輝，馬峻，[J」.，19(2):171 一173.[15] 翟鵬，張承瑞，[J」二材料工藝設備二 2022，3.[16] 劉世英，「J].柴 .(3):9 一 14.[17] 張凱，胡德金，〔J〕.組合機床與自動，(8)6 一 8.[17] 「J]..(3):5 一 8.36 / 40[18] 「D 〕.:.37 / 40致 謝畢業(yè)設計是在教師的指導下進行的，但是為了更好的培養(yǎng)達到設計能力的要求，在設計過程中，提倡獨立思考、嚴肅認真、深入鉆研和精益求精的學習精神，由于要設計一個可以付諸實用的控制電路來，它涉及多方面的知識，是對所學的專業(yè)課程和基礎課程的一個全面的應用，因此，在設計過程中肯定會碰到很多問題的，這時應首先獨立思考，查閱設計資料，不能解決的再向指導老師或同學提問。經過一個月的刻苦努力和艱辛設計，圓滿完成了發(fā)動機活塞銷孔機構強度分析及改善任務，經過這次畢業(yè)設計我學到了很多知識，對于提高自身素質，更好地適應現(xiàn)代化生產以及知識經濟社會也具有很好的指導意義。接受課題到現(xiàn)在完成畢業(yè)設計論文，得到了老師精心的指導和熱情的幫助，尤其在課題設計的前期準備和設計過程中，導師提出許多寶貴的設計意見，在最后的論證修改中老師在百忙之中抽出時間為我們提供了必要的幫助，這樣使得我們得以順利的完成畢業(yè)設計工作，在短暫的一個月的相處時間里，老師淵博的知識、敏銳的思路和實事求是的工作作風給我留下了深刻的印象，這將使得我終身受益，謹此向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。并且也要感謝平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院和在大學三年來所有的老師，為我打下良好的數(shù)控加工知識。同時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵，此次畢業(yè)設計才會順利完成。最后，我還要感謝一直在背后默默支持我完成學業(yè)的父母及親友，是他們的無私奉獻和巨大支持使得我的學業(yè)得以順利完成，向他們表示真摯的謝意！