CAE技术概论及活塞仿真分析.docx

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CAE技术概论及活塞仿真分析

CAE技术概述及内燃机活塞的仿真分析现状和趋势

段绍斌200910603134

1、CAE技术概述

1.1、CAE技术基本概念

计算机辅助工程（CAE，ComputerAidedEngineering）是一个很广的概念，单从字面上讲，它可以包括工程和制造信息化的所有方面。

由于CAM及制造信息化技术作为独立部分飞速发展，并在产品制造中得到广泛运用。

因而，目前已将CAE与CAD、CAM、PDM等并列提出。

CAE在科学研究和产品研发中的应用，一般是指利用计算机及工程分析软件进行模拟和仿真的过程，即CAE技术是以科学和工程问题为背景，建立计算机模型并进行计算机仿真分析，对工程和产品进行性能和安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行状态进行模拟，及早发现设计中的不足，加以修改和优化，并证实未来的工程、产品性能的可行性和可靠性。

CAE分析是以现代计算力学、计算数学、工程学科（理论力学、材料力学、弹性力学）、数字仿真技术、计算机图形学为基础，并以成熟的CAE软件来实现对科学和工程问题的求解与分析。

CAE软件可以分为三类：

针对特定类型的工程或产品所开发的用于其性能分析、预测和优化的软件，称为专用CAE软件。

如：

ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等。

能够对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行模拟、分析、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件称为通用CAE软件。

如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。

第三类就是嵌套在CAD/CAM系统中的CAE软件分析模块。

如;UGNX中的CAE。

运用CAE方法可以实现现代制造业在高效、高速、高精度、低成本、节约资源和高性能等多方面的要求。

因CAE的分析的理论基础是有限元法，随着有限元分析方法与CAD和CAM技术相结合，计算机硬件水平的日益提高，CAE技术被广泛应用于航空、航天、建筑、化工、汽车、电子、机械等工业部门。

1.2、CAE技术的发展

CAE技术的发展是随着有限元基础理论的提出及发展、CAD技术发展、计算机仿真技术的发展而兴起的，特别是20年的计算机在高速化和小型化方面取得的巨大成就，以及CAE软件功能的不断完善。

使得它在科学研究中被中普遍采用，在工程中进入到实用化阶段。

CAE理论基础起源于20世纪40年代。

20世纪60至70年代，随着有限元分析技术的不断的被结合到CAD、CAM中，便形成了CAE分析技术的框架。

20世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期。

主要发展是将CAE与CAD和CAM软件集成CAD/CAE/CAM系统，从而形成一个完整、方便的实用产品。

如著名的CAD软件CATIA、UG、Pro/E都增加了基本的CAE前后处理及一般的线性、模态分析功能。

当今，在西方国家，CAE技术已实现了实用化。

随着网络技术的不断发展和普及，通过网络传递信息，将对CAE技术的发展起到不可估量的促进作用。

现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等诸多工程领域，进而发展到多物理场耦合分析领域，比如流体与结构力学的耦合、电路学与电磁学的耦合等[2]。

2、CAE技术在发动机设计中的应用

近年来计算机软件和技术以及有限元理论的迅速发展推动了内燃机动态分析的进程,使有限元动态响应分析在内燃机中逐步获得应用同时也大大提高了对内燃机复杂零件进行有限元分析的效率精度和可信度.CAE技术在发动机设计领域中的应用主要体现在这样几方面：

（1）应用有限元和模态分析等方法对发动机活塞、连杆、曲轴等零部件及机体的结构进行强度分析、振动分析、模态分析和热分析，并运用结构强度与寿命评估的理论、方法和规范，对结构的安全性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计，分析活塞疲劳强度、分析发动机重要零部件的受力及受力后的位移、形变状况，分析其热力耦合性能等；

（2）运用过程优化设计方法在满足设计、工艺等约束条件下，对发动机产品结构形状和参数进行优化设计，以使发动机结构性能及工艺过程达到最优；（3）运用多体动力学的理论和虚拟样机技术（VPT）对整机或机构进行运动学和动力学仿真，给出整机或机构的运动轨迹、速度、加速度以及动反力等数值，通过对比可以获得最优的设计方案，方便修改设计缺陷。

最终，能让设计者设计出高性能、低排放、低油耗、低噪声、轻量化、小型化的现代发动机。

3、内燃机活塞仿真分析的发展现状与趋势

活塞是内燃机的关键零部件之一，它的工作情况直接关系到内燃机的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能。

活塞的结构和所处的工作环境十分复杂，在工作状态下受到高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向推力和摩擦力等周期性载荷作用，产生机械应力和机械变形。

高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部乃至整个活塞温度很高，且温度分布很不均匀，导致活塞产生热应力和热变形。

热负荷和机械负荷将导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸等。

因此，对活塞进行温度场、应力场以及热负荷和机械负荷共同作用的耦合应力场进行有限元分析，了解活塞的热负荷和综合应力分布情况，进而改进活塞，提高其工作可靠性具有重要意义。

近年来，利用有限元技术对活塞进行热、力耦合研究越来越普遍。

在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元法（FEM，FiniteElementMethod）为解决发动机各零部件的分析计算问题提供了有效途径，它具有试验方法和理论解析方法无可比拟的优势，己经成为发动机性能研究的重要手段。

在发动机产品设计实践中，有限元分析软件与CAD系统集成应用，缩短了发动机产品设计和分析周期，降低了发动机产品成本，提高了发动机产品可靠性。

同时在发动机新产品制造前，通过模拟各种试验方案，预先发现潜在问题，从而减少试验时间和经费。

3.1、活塞有限元分析和仿真研究的发展现状[2-3]

利用CAE软件建立发动机活塞、的几何模型，然后借助有限元分析软件对其进行温度场分析计算，得到活塞的三维温度场分布情况，数值计算结果清楚的表明活塞温度场的分布情况，为活塞的结构改进和优化提供了依据。

近20年是数值模拟技术发展迅猛的时期，国内外的研究机构和企业对活塞开展了广泛的研究工作。

其研究方面主要有：

活塞本身的温度场、熟应力、热疲劳和机械强度等方面的研究。

在此基础上，进行了深入的研究，包括热冲击研究、耦合瞬态温度场和应力场的研究、润滑油膜以及积碳等方面的研究。

国内对活塞热负荷的研究主要是在高校进行，对于利用经验和半经验公式得出平均边界换热系数，再根据平均燃气温度对活塞进行稳态热分析的研究，国内研究的比较深入。

比如，大连理工大学冯立岩对活塞组在受热载荷下的温度场，机械载荷下的应力与变形和耦合下的应力进行了有限元分析，结果发现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，而传热边界条件的确立是决定热分析准确度的最关键因素。

建立活塞、活塞环和气缸套的耦合模型，在提高计算精度的同时，对减小确立边界条件的试算量也大有裨益。

活塞销端部上端存在沿销轴方向的变形，对挡塞上端产生挤压，造成挡塞磨损。

华北工学院董小瑞对汽油机活塞在机械载荷和热载荷耦合作用下的变形与应力进行三维有限元分析，研究表明HH471QE发动机活塞销孔上侧面的等效应力最大，活塞销座与活塞顶过渡部位也存在较大的应力，而其它部位的应力较小，活塞整体的应力分布比较均匀。

由于气体压力作用在活塞顶，活塞整体下移，但位移量不大。

同济大学郑百林分别对汽油机活塞与柴油机活塞热力耦合作用下的应力与变形及其强度进行了有限元分析，得到了活塞温度场的结果，在安全工作范围内，第一道环槽边温度值远低于220℃。

在热载荷和机械载荷同时作用下，活塞顶部Y最大位移出现在第一环槽外边缘，其大小为0.1974mm：

X方向最大位移处于顶边角点处，其值为0.3337mm；Z向有负向位移，最大负向位移在另一顶边角点处，大小为0．3096mm；三个方向的位移都沿周向逐渐变为接近于零。

横截面变形后呈椭圆状。

北京航空航天大学张继春和武汉理工大学陈永东利用Pro／MECHANICA软件多活塞进行有限元分析。

昆明理工大学雷基林与昆明云内动力股份有限公司进行了对4100型增压柴油机活塞在标定工况下进行机械应力场和变形，机械负荷和热负荷共同作用下耦合应力场和变形的计算与分析。

中北大学吕彩琴进行了柴油机活塞的热及惯性力耦合研究，得到了活塞温度最高的部位位于活塞项中央和活塞顶部燃烧室内侧凸台；活塞温度由顶部向裙部逐渐降低。

国外在内燃机传热方面的研究要更早，研究得更充分。

在内燃机传热计算中常用的经验公式和半经验公式都是欧美科学家和内燃机厂家在20世纪经过试验计算总结得出的。

基于计算机技术的发展和普及，最近国外公司对柴油机活塞的

机械疲劳研究多采用对比发动机耐久试验数据，以计算机建模和仿真计算等来模拟热负荷与机械负荷对活塞结构的影响，从而判断活塞的可靠性国外在20世纪70年代已开始热冲击研究。

如英国里卡多公司建立了热流和热传导试验台，用于热流的流向和热流的分配研究，德国马勒公司对活塞的研究主要是通过整机试验，马勒公司的35个整机试验台用于研究各种活塞的可靠性。

俄罗斯在发动机热负荷的试验研究上既有稳态研究，也有最新的瞬态研究手段；在燃烧室零件的应力分析方面，已经完成了对燃烧室零件的稳态热弹性应力、准静态热应力以及热弹性应力与机械应力迭加的分析。

美国Wisconsin大学Madison分校YongLiu和R．D．REITZ运用有限差分法对内燃机燃烧室部件进行了循环瞬态模拟，分析模型综合考虑了活塞组、润滑油膜、缸套以及缸盖等，提高了缸内传热模拟的精度。

伊朗Shiraz大学A．Mohammadi，M．Yaghoubi，M．Rashidi对火花点燃式发动机的局部换热系数进行了研究，发现活塞缸内不同位置的换热系数不同，但是其变化与曲轴转角趋势相同。

土耳其Sakarya大学EkremBuyukkaya，MuhammetCerit研究了绝热镀层对柴油机活塞热负荷的影响。

西班牙瓦伦西亚科技大学的J．Galindo等人研究了增压柴油机一维气动模式下瞬态传热过程的计算。

国外目前研究的重点是瞬态传热、整机热分析和绝热发动机。

3.3、内燃机活塞仿真的趋势

活塞的性能好坏直接关系到发动机整机性能，在对活塞有限元分析研究中，需对活塞的影响因素进行全面的仿真和分析。

可以考虑采用将活塞、活塞环、气缸套和活塞销组合起来的耦合模型进行分析研究；还可以把缸内气体流动、燃烧、对流传热、辐射传热等模型与有限元分析充分结合起来，进行瞬态传热研究与仿真；在线性静态仿真的基础上对活塞进行非线性的瞬态仿真与分析；在热力耦合基础上进行多种耦合分析，在温度场基础上进行多物理场分析；在活塞单体基础上实行多体分析,建立活塞仿真CAE数据库、模拟计算、试验、设计等内容，实现活塞有限元分析与优化，最终达到活塞仿真分析的集成化、网络化和系统管理。

参考文献：

[1]叶年业,倪计民，石秀勇，杨永忠，张学文,任燕平.CAE技术在发动机产品开发过程中的应用研究.内燃机工程.Vol.32No．3June．2011

[2]程文虎.内燃机活塞变形与应力三维有限元分析.学位论文.合肥工业大学

[3]雷基林.增压柴油机活塞三维有限元分析及温度场试验研究.学位论文.昆明理工大学.2005

《计算机辅助分析》期终考核

分析题目（活塞静力结构分析）

姓名：

段绍斌

班级：

车辆092

学号：

200910603134

日期：

2012/12/30

成绩：

昆明理工大学交通工程学院

二0一三年一月

1实体建模1

2有限元网格模型1

3边界条件2

4计算结果与分析3

5总结6

活塞静力学结构分析

众所周知:

活塞所受的机械负荷主要有气体作用力和往复惯性力以及侧推力,对其变形影响最大的是气体作用力.该实例活塞燃烧室中央布置无偏置整体分析,只考虑燃烧最高爆发压力为9MPa时对活塞的影响。

1实体建模

利用UGNX7.5建模模块构建活塞三维实体模型。

构建的模型步骤树图和最终三维实体如图1所示。

图1、活塞三维实体构建树图与最终实体图

2有限元网格模型

2.1、前处理过程

1）新建FEM和仿真。

打开“活塞”三维零件模型，单击【开始】进入高级仿真模块，新建FEM和仿真“求解器”和“分析类型”分别为“NXNASTRAN”和“结构”。