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发动机活塞销孔结构强度分析及改善（doc40页）

发动机活塞销孔结构强度分析及改善

摘要

活塞是发动机中最重要的零部件之一，工作中要承受周期性热负荷和机械负荷冲击，活塞的工作状态直接决定着发动机的使用寿命。

高温、高压的工作环境使承载最大机械应力的活塞销孔部位面临着更大的考验。

活塞销座部位工作温度在200℃左右，活塞销与活塞销孔之间的磨擦还产生着高温负荷。

因此有必要对活塞进行有限元计算分析，弄清活塞及其销孔处的机械应力分布规律，为改进设计提供依据。

本文通过PRO/E建立活塞组的1/2实体模型。

再运用ANSYS分析软件计算活塞的机械应力与变形，得出活塞销孔内侧应力集中，变形较大。

并在此基础上，提出了活塞的结构改进措施，采用了在活塞销孔内嵌入铸铝青铜衬套。

针对改进设计方案进行了有限元分析，结果表明该改进方案使得活塞销孔内侧的应力趋向均匀，改善了销孔的应力集中现象，降低了销孔表面应力峰值，达到了预期的效果。

关键词:

活塞；机械应力；有限元

Abstract

Oneofthemostimportantpartsofanenginedirectlygoverningenduranceisthepiston,whichperiodiclybeartheimpactofheatloadandmechanicalload.Hightemperature,highpressureworkingenvironmentmakethepistonpinholebearingthemaximummechanicalstressloadpositionfaceevengreaterchallenge.Pistonbossworksinthetemperatureofabout200℃,andthefrictionbetweenthepistonpinholeandpistonpinalsoproducesahightemperatureload.Therefore，itisnecessarytodothefiniteelementanalysisforthepiston，clarifydistributionofthermalstressandmechanicalstressofthepistonstoprovideabasisforimprovingthedesign.Thisarticleestablishpistonrangeof1/2solidmodelsbyPRO/E.ThenusingANSYSsoftwaretocalculatemechanicalstressanddeformationofthepiston,weobtainstressconcentrationinsidethepistonpinhole,andwithalargedeformation.Inviewofthis,itproposesmeasuresofimprovingpistonstructuredesignandadoptsthestructureofcastaluminumbronzeembeddedintheholeinthepistonpinbushing.Theresultsshowthattheprogramhasmadethestressinsidethepistonpinholetendtobeeven，improvedstressconcentrationphenomenonofthepinholeandreducedthesurfacestresspeakofthepinholeandachievedthedesiredresults.

Keywords:

piston；finiteelement；mechanicalstress

1引言

1.1概述

发动机是一种将燃油化学能转变成为机械功的动力机械。

这种能量转换是燃油在气缸中与空气充分混合进行燃烧，产生高温高压的工作气体，推动活塞、连杆、曲轴，从而使燃油化学能转变成机械功向外输出的。

发动机经历了一百多年发展，虽然基本构造变化不大，但其性能和设计水平一直在不断提高，其燃油经济性、升功率、紧凑性、制造成本、可靠性和使用寿命等主要技术指标不断得到改善。

近年来，为适应环境保护的要求，在减少其有害排放物、减少振动与噪声等方面也在不断地进步。

伴随着发动机转速和功率的提高，必然会带来缸内燃气爆发压力和温度增高。

燃气爆发压力增加，一方面使得活塞、缸体和缸盖承受的机械负荷增大，导致活塞、缸体和缸盖因强度不足而产生破坏。

另一方面压力升高过大，还会产生敲缸现象和增加发动机燃烧噪声。

燃气温度升高，导致组成发动机燃烧室的受热零件热负荷增加，产生极大的热应力和热变形，温度过高还会导致受热零件材料强度和硬度急剧下降，降低其可靠性和使用寿命。

活塞是发动机工作条件最苛刻的零件之一，它在高速往复运动中传递着整个发动机原动力，承受着非常高的机械负荷和热负荷。

活塞是制约发动机进一步强化的瓶颈之一。

活塞设计好坏、加工精度的高低都会直接影响发动机经济性、可靠性、检修周期和使用寿命。

温度过高会降低材料许用应力和强度，从而缩短活塞使用寿命和降低发动机性能。

另外在热负荷和机械载荷作用下，活塞整体会发生变形，从而影响活塞与缸套之间的配合精度。

发动机工作时，各零件之间存在着多种运动形式，而且有的大运动组件之中还包含着微小的运动，在曲柄连杆机构中，活塞和缸套之间的往复运动过程中，就同时存在着活塞销和销孔间的旋转运动、活塞环和活塞环槽之间的旋转运动，这些零件间虽然没有很高的相对运动速度，但是存在着很大的作用力，这样，在相互接触之间就会产生接触应力和切向运动阻力—摩擦力，因而会造成摩擦损失，严重时，会在摩擦力的作用下造成零件的损坏。

活塞销与销孔间既然有相互运动且存在相互作用力，就一定存在摩擦力。

这种摩擦力，虽然对发动机的有效效率没有多大的影响，但是，如果活塞销孔处的温度过高（活塞销孔温度超过1800℃），活塞销与销孔之间的接触应力过大，就会破坏了二者之间存在的润滑油膜，使销孔表面和活塞销在局部形成干摩擦，将有可能导致活塞销孔表面拉毛、拉伤，使之不能正常工作；同时作用在销孔上机械应力过大，而此时活塞材料在高温下性能下降，有可能使活塞销孔产生裂纹，严重时会导致活塞销孔开裂、破碎，甚至损坏发动机机体。

对活塞进行热、力分析研究方法有多种，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。

如今有限元分析方法在活塞开发设计中已得到广泛应用，大大提高了活塞设计的可靠性，缩短了开发周期。

1.2国内外研究现状

基于计算机技术发展和应用的普及，目前国外公司对活塞的机械疲劳研究多采用对比发动机耐久试验与活塞液压脉冲疲劳试验数据，以计算机仿真建模和有限元计算为支持，模拟热负荷及机械负荷等对活塞结构的影响，计算活塞的热机械应力，判定活塞的可靠性能。

但由于技术保密的原因，国外研究机构对20世纪末期以后的活塞机械疲劳可靠性研究及相关文献处于保密状态，活塞材料S——N曲线规律、新材料的研制、机械疲劳研究中的新技术等鲜见相关的文献报道。

国外对活塞销孔机械疲劳可靠性的试验研究包括发动机耐久性试验及活塞液压脉冲疲劳试验两种形式，部分研究机构还进行了销座部位的应力测试工作。

国内外发动机公司对发动机强化试验的考核也有所不同。

英国Wellworth公司以110%标定功率运转500小时，然后再进行500小时1100k最大扭矩试验，考核活塞销座、燃烧室边缘等部位是否出现裂纹;日本小松制作所对工程机械用柴油机进行了强化对比试验，柴油机以标定工况运转8000小时后活塞销座出现裂纹，当以120%负荷运转时，2300小时活塞销座就出现了裂纹。

国内各发动机公司及国家标准也有相关的试验考核规范。

与发动机耐久性试验相比，考虑到高效、节能及便于分析的特点，国外各活塞专业公司更倾向于采用活塞液压脉冲疲劳试验来考核销座的可靠性。

活塞液压脉冲疲劳试验系统内的活塞由活塞销和连杆支撑，用两个独立油压控制系统对活塞施加脉动载荷，一个位于活塞顶部模拟气体压力，另一个位于活塞下侧模拟惯性力。

ZOLLNER公司对柴油机活塞销孔可靠性进行的试验研究表明，采取滚压销孔表面工艺的活塞疲劳极限比圆柱形销孔提高63%，锥形活塞销孔结构的活塞疲劳极限较圆柱形销孔可提高60%，增加销孔椭圆度或采用减压弧结构对提高活塞销孔的疲劳极限影响甚小。

1.3课题研究的主要内容和方法

（1）利用PRO/E软件对活塞和销的1/2模型进行实体建模，并做适当的简化。

（2）活塞受到的机械载荷主要有气体爆炸压力，往复惯性力，侧推力及连杆的支座反力。

求出活塞在最恶劣工况下的载荷条件并进行简化，定义适当的边界位移条件，从而建立活塞组的有限元模型。

（3）分析活塞的有限元模型，求出最大应力及其位置，并求出活塞销孔处的应力分布及应力集中情况；同时分析活塞的变形情况和活塞销孔处的变形情况。

（4）对活塞销孔结构进行改进，并进行分析，同改进前的应力分布和变形情况进行比较，并给出建议。

2有限元基础理论及活塞组有限元模型的建立

2.1有限元基础理论及ANSYS简介

2.1.1有限元法概述

有限元法（FiniteElementMethod，FEM），也称有限单元法或有限元素法，基本思想是将求解区域离散为一组有限的且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。

有限单元法分析问题的思路是从结构矩阵分析推广而来的。

起源于50年代的杆系结构矩阵分析，是把每一杆件作为一个单元，整个结构就看作是由有限单元（杆件）连接而成的集合体，分析每个单元的力学特性后，再组集起来就能建立整体结构的力学方程式，然后利用计算机求解。

有限元离散化是假想把弹性连续体分割成数目有限的单元，并认为相邻单元之间仅在节点处相连。

根据物体的几何形状特征、载荷特征、边界约束特征等，单元有各种类型，节点一般都在单元边界上，节点的位移分量是作为结构的基本未知量。

这样组成的有限单元结合体，并引进等效节点力及节点约束条件，由于节点数目有限，就成为具有有限自由度的有限元计算模型，它替代了原来具有无限多自由度的连续体。

在此基础上，对每一单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数来近似模拟其位移分量的分布规律，即选择位移模式，再通过虚功原理（或变分原理或其他方法）求得每个单元的平衡方程，就是建立单元节点力与节点位移之间的关系。

最后，把所有单元的这种特性关系，按照保持节点位移连续和节点力平衡的方式

集合起来，就可以得到整个物体的平衡方程组。

引入边界约束条件后，解此方程就求得节点位移，并计算出各单元应力。

因此，完整的有限元分析（FEA）流程图如图2.1所示。

图2.1有限元分析流程图

2.1.2有限元法划分原则

（1）网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。

一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。

图2.2位移精度和计算时间随网格数量的变化

图2.2中的曲线1表示结构中的位移随网格数量收敛的一般曲线，曲线2代表计算时间随网格数量的变化。

可以看出，网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。

当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。

所以应注意增加网格的经济性。

实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算。

在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。

在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。

如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。

同样在响应计算p，计算应力响应所取的网格数应比计算位移响应多。

在计算结构固有动力特性时，若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格，如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。

（2）网格疏密

网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。

在计算数据变化梯度较大的部位（如应力集中处），为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。

而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。

这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。

图2.3是中心带圆孔方板的四分之一模型，其网格反映了疏密不同的划分原则。

小圆孔附近存在应力集中，采用了比较密的网格。

板的图2.3带孔方板的四分之一模型

四周应力梯度较小，网格分得较稀。

其中图b，网格疏密相差更大，它比图a的网格少48个，但计算出的孔缘最大应力相差l%，而计算时间却减小了360k。

由此可见，采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网格数量减小。

因此，网格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。

划分疏密不同的网格主要用于应力分析（包括静应力和动应力），而计算固有特性时则趋于采用较均匀的钢格形式。

这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布，不存在类似应力集中的现象，采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大，可减小数值计算误差。

同样，在结构温度场计算中也趋向于采用均匀网格。

（3）单元阶次

许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其二次和三次形式的单元称为高阶单元。

选用高阶单元可提高计算精度，因为高阶单元的曲线或曲而边界能够更好地逼近结构的曲线和曲而边界，且高次插值函数可更高精度地逼近复杂场函数，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。

但高阶单元的节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多，因此在使用时应权衡考虑计算精度和时间。

图2.4是一悬臂梁分别用线性和_次三角形单元离散时，其顶端位移随网格数量的收敛情况。

可以看出，但网格数量较少时，两种单元的计算精度相差很大，图2.4不同阶次单元的收敛情况

这时采用低阶单元是不合适的。

当网格数量较多时，两种单元的精度相差并不很大，这时采用高阶单元并不经济。

例如在离散细节时，由于细节尺寸限制，要求细节附近的网格划分很密，这时采用线性单元更合适。

增加网格数量和单元阶次都可以提高计算精度。

因此在精度一定的情况下，用高阶单元离散结构时应选择适当的网格数量，太多的网格并不能明显提高计算精度，反而会使计算时间大大增加。

为了兼顾计算精度和计算量，同一结构可以采用不同阶次的单元，即精度要求高的重要部位用高阶单元，精度要求低的次要部位用低阶单元。

不同阶次单元之间或采用特殊的过渡单元连接，或采用多点约束等式连接。

（4）网格质量

网格质量是指网格儿何形状的合理性。

质量好坏将影响计算精度。

质量太差的网格甚至会中止计算。

直观上看，网格各边或各个内角相差不大、网格而不过分扭曲、边节点位于边界等份点附近的网格质量较好。

网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边竹点位置偏差等指标度量。

划分网格时一般要求网格质量能达到某此指标要求。

在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。

而在结构次要部位，网格质量可适当降低。

当模型中存在质量很差的网格（称为畸形网格）时，计算过程将无法进行。

图2.5是三种常见的畸形网格，其a单元的节点交叉编号，b单元的内角大于180°，C单元的两对点重合，网格面积为零。

图2.5几种常见的畸形网格

（5）网格分界面和分界点

结构中的一些特殊界面和特殊点应分为网格边界或节点以便定义材料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。

即应使网格形式满足边界条件特点，而不应让边界条件来适应网格。

常见的特殊界面和特殊点有材料分界面、几尺寸突变面分布载荷分界线（点）、集中载荷作用点和位移约束作用点等。

（6）位移协调性

位移协调是指单元上的力和力矩能够通过节点传递相邻单元。

为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。

相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。

否则，单元之间须用多点约束等式或约束单元进行约束处理。

图2.6是两种位移不协调的网格划分，图a中的节点1仅属于一个单元，变形后会产生材料裂缝或重叠。

图b中的平面单元和梁单元节点的自由度性质不同，粱单元的力矩无法传递到平面单元。

图2.6位移不协调的网格划分

1）网格布局

当结构形状对称时，其网格也应划分对称网格，以使模型表现出相应的对称特性（如集中质矩阵对称）。

不刘一称布局会引起一定误差，如在图2.7中，悬臂粱截面相对轴对称，在对称载荷作用下，自由端两对称节点1、2的挠度值本应相等。

但若分图所不对称网格，计算出的y，=0.0346，yZ=0.0350。

若改用图C所示的网格，则y，和y完全相同。

图2.7网格布局对计算结果的影响

2）节点和单元编号

节点和单元的编号影响结构总刚矩阵的带宽和波前数，因而影响计算时间和存储量的大小，因此合理的编号有利于提高计算速度。

但对复杂模型和自动分网而言，人为确定合理的编号很困难，日前许多有限元分析软件自带有优化器，网格划分后可进行带宽和波前优化从而减轻人的劳动强度。

2.1.3ANSYS简介

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：

航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

软件主要包括三个部分：

前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

　前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；

分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；

后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

2.2活塞组有限元模型的建立

2.2.1活塞组几何模型的建立

本文所分析的活塞燃烧室为凹坑形，位于活塞顶部的中央。

计算时以1/2的活塞为分析对象，建立其三维模型。

利用三维制图软件PRO/E建立活塞三维模型，然后再导入到有限元软件中进行网格划分和边界条件定义，为了减少单元数量以及大小单元尺寸差，忽略模型中一些对分析影响很小的特征，比如：

活塞油孔、导油槽和微斜角等。

用PRO/E建立此模型的优点是便于对活塞进行几何尺寸上的优化设计与结构上的改进，以及具有和有限元软件很好的接口。

1）活塞的几何建模及处理过程

活塞由于结构复杂，几何建模难度较大，这里需要考虑的因素较多。

在活塞的几何模型建立过程中，既要考虑此模型建立的准确性，又要考虑几何模型对于建立有限元网格的可行性。

针对本文采用的活塞，以弹性力学为依据，对于不失准确性的小结构进行适当简化、忽略，在满足准确性的要求下，也使网格的划分更加理想，使计算能够不失真，为以后的处理带来很大方便。

这里有必要对一般意义上的几何模型和基于有限元的几何模型进行区分说明。

一般意义上的几何模型只需要把原来的实体表达清楚便可以，当然这里包括尺寸表达清楚、空间位置表达清晰，此时不需要对表达方式进行选择，只要能够达到以上各点就可以。

而基于有限元的几何模型与此有很大的差别，它不仅要把原来实体的尺寸以及空间位置表达清楚，更需要注意的是此几何模型对于后面分析计算过程的可行性，这包括网格的划分、边界条件的附加、单元尺寸的合理性、分析计算结果的满意度等，这些都是此几何模型合理性及可行性的评判标准，这也是基于有限元的几何模型建立的困难所在。

对于活塞这样结构复杂的零件，一般意义上的几何模型虽然能清楚表达原来的实体，但这离基于有限元的几何模型还有很大距离，它不能用于有限元分析，必须对其进行适当处理。

对于复杂实体（这里指活塞），基于有限元的几何模型必须注意遵循以下原则：

（1）尽量保持几何模型准确性，对于应力和变形来说作为影响因素的结构（这里指几何形状而言），哪些结构是不可忽略的，而哪些是可以忽略的，

必须区分清楚，进而使此模型在基于有限元分析合理可行的前提下，做到最大限度的准确性。

（2）对于重点分析计算的部位，如活塞顶部、裙部等，必须做到精益求精，使这些部位尽可能保持其完整性和准确全面性，以使计算分析能够准确完整。

（3）在构造几何模型同时就已决定以后规整网格划分的过程，此处有限

元网格划分是以点、线为基础，对于三维实体而言，是以部件（PART）为单位进行网格的拓展划分（CREEP），这就需要在几何建模同时，注意点、线、多义线和外廓线的分布和尺寸。

如果这些因素的分布过密或尺寸相差过大（这里指相邻的单元），则可能导致网格划分的不均匀，单元比例失调，导致计算结果偏差，甚至有限元网格划分或有限元计算过程的终止，这也是建模过程中两个矛盾方面，一方面要尽量准确描述实体几何形状，这就需要应用较小的单元进行网格划分，而对于有限元计算程序而言，其计算容量（这里包括各种几何因素、特别是单元和节点的数目）是有限的，要使计算结果可行准确，不能应用过多的单元或过小的单元（过小的单元容易导致单元畸变）。

对于活塞这样一个复杂的几何实体，要做到准确完整，更需相应的尝试和经验。

（4）在建造几何模型的同时，还需要考虑边界条件的附加，理论上对表

面的有限元单元逐节点或逐单元进行边界条件附加是可行的，然而事实上，尤其对于活塞这样一个结构复杂的零件而言，是非常困难的。

所以这又要求在建模的同时，对于不同的边界条件给予不同的面或区域（这是针对三维的实体几何模型而言），使得边界条件的附加成为可能，也带来极大的方便性。

下面就本文使用的活塞具体建模过程作具体介绍：

◎活塞顶部的处理

汽油机活塞的头部形状较为复杂，本研究使用的活塞为圆形的凹坑顶部，凹坑位于活塞顶部的中央。

活塞头部呈正圆锥形。

为了便于划分网格，在顶面

过渡处省略圆角。

◎活塞环岸以及环区的处理

此处严格按照原有尺寸进行建模，但需说明对于尺寸极小的弧形斜度和台阶给予忽略，这些结构对于热力学分析的影响极小，但其又会导致网格划分的失败或计算结果的严重偏差，所以对它进行忽略。

◎裙部的处理

活塞裙部型线复杂，在具体的建模过程中，裙部按照实际尺寸进行建模。

◎底部的处理

底部由于结构不复杂，完全按照原来尺寸进行建模。

◎轴销座部位的处理

轴销座对于活塞整体不均匀变形有重要的影响