基于Proe的活塞有限元分析实例.docx

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阅百家科技 过程说明

基于Proe的活塞有限元分析实例

目录

一、力边界下活塞的有限元分析 2

1.指定材料：

点击材料分配工具，在弹出的对话框中点更多 2

2.约束确定 4

3.载荷施加 5

4.新建静力分析 8

5.结果查看及分析 9

二、热分析 12

1.概述 12

2.添加热边界条件 14

3.新建热分析 16

4.结果查看及分析 17

三、热力耦合 20

1.热载荷施加 20

2.静态分析 21

3.结果查看 23

四、敏感度分析 25

1.增加设计参数 25

2.定义敏感度分析 27

3.结果分析 28

4.温度敏感度分析 30

五、优化分析 31

1.新建优化设计 31

六、压力分析结果 34

七、热分析结果 36

八、敏感度分析结果 38

九、优化设计结果 39

一、力边界下活塞的有限元分析

建好模型后，进入分析模块

1.指定材料：

点击材料分配工具，在弹出的对话框中点更多

弹出对话框中选择新建

对话框中输入如下ZL109材料的参数，并切换到热标签，输入参数

确定后返回到

材料出选择ZL109，点击确定将材料分配给活塞，因为文档中只有一个零件，所以自动分配好。

2.约束确定

选择位移约束工具，曲面选择销座圆孔面，将其三个平移自由度和三个旋转自由度设置为固定

3.载荷施加

柴油机活塞的顶部与环岸燃气爆发压力一般简化为均匀分布在其表面,所示，而且一般情况下施加于活塞的第一环槽底部的压力为气体压力的76%，而施加到第一环岸和第二道环槽上面及下面的压力为气体残压的25%，到第二道环槽底时只剩下20%的气体残压施加到其上，由于燃气不断膨胀，压力越来越小，能到达第二环槽以下的残余燃气压力变得特别的小，基本可以忽略不计。

选取最大爆发压力工况作为计算工况，所受载荷有最大爆发压力、活塞往复惯性力和活塞销座分布力的作用。

按照前述计算，并选择面施加气压

缸内气压/MPa

气体压力Fg/N

往复惯性力Fj/N

11.972062

80611.30098

7036.017748

选择压力载荷工具，打开的对话框中选择顶面，燃烧室各面及火力岸，压力载荷为前述计算的最大气压

继续添加载荷

惯性力的施加以加速度的形式加载，按照惯性力计算

Fj=-ma

a=-Fj/m=21397mm/sec^2

4.新建静力分析

选择分析和设计研究工具，新建静态分析

输入如下设置，并确定

在stru选中下，点击运行，几分钟后计算结束

5.结果查看及分析

在stru选中下，点击结果查看

弹出的对话框中选择应力，确定并显示

图1力边界条件下活塞应力云图（单位MPa）

由图可以看出,活塞受到气体的爆发压力和往复惯性力的作用,它们的共同特点就是都沿着活塞的轴线方向作用,所以活塞的轴线方向承受着极大的载荷。

由于活塞在上止点附近向下运动时活塞销会出现弯曲变形,使活塞销座出现异形变形,而销座上端的较大刚度阻止活塞销座的形变,从而导致了活塞销孔的上端出现了应力的集中。

在活塞的销座得出的最大应力为198.1MPa左右,已超过活塞材料在常温下的最大许用应力195MPa。

而活塞的其他部位应力值都在许用应力195MPa以下。

另外,活塞加强筋与活塞顶部相连的部位也会出现应力集中的情况,但其应力值约为185MPa。

在结果查看界面进行复制，来查看变形云图

图2力边界条件下活塞变形云图（单位mm）

模拟计算出柴油机活塞的整体变形分布情况如图所示。

活塞变形中最大值为0.0485mm，位于受活塞两侧的活塞裙部的下部边缘，活塞的整体变形是以活塞销孔为变形最小的区域，不断向四周扩散，变形量也逐渐增加。

活塞顶部及燃烧室变形量大概在0.038mm到0.012mm之间，相对来言顶部比燃烧室底部变形大。

活塞环岸及裙部区域的变形大概在0.03mm到0.0015mm之间。

在活塞单独机械负荷作用下，由于加入了燃气压力，活塞裙部、活塞销座等区域应力值大大增加。

而活塞裙部下侧处的刚度非常低，因此出现较大变形。

考虑原因可能是活塞的顶部在沿活塞销孔轴向发生弯曲，这样会使裙部稍有向外增大的趋势，再者活塞在高温下本身就会膨胀，所以活塞的裙部变形会比较大。

二、热分析

1.概述

活塞热边界条件的确定通常采用第三类边界条件，即给定边界的外围介质温度和换热系数。

主要包括活塞各边界与燃气、冷却水、冷却油、曲轴箱内油雾以及自由环境之间的换热系数和相应温度。

活塞顶部换热系数及燃气平均温度利用AVL公司的BOOST软件对发动机缸内工作过程进行仿真计算，得到发动机在标定工况下的缸内燃气温度及其对流换热系数。

下图所示:

活塞顶面燃气温度高达1900K，燃气平均温度为900～1000K，对流换热系数平均为500～600W/（m2·K）。

活塞侧面换热系数和环境温度活塞侧面的热量通过气缸套间接传给冷却水，其换热系数按式

（1）计算，以冷却水温度作为环境温度。

式中:

λ1、λ2、λ0分别为活塞环、气缸壁和间隙内油或气的导热系数;λω为气缸壁与水之间的换热系数，λf为平均水温时水的导热系数，deq为水套当量直径，Nuf为努塞尔特准则数。

活塞内侧换热系数和环境温度活塞内侧顶部布置了冷却油道，底部主要与油雾接触，故活塞内侧环境温度取曲轴箱内机油的温度，换热系数自下而上取为300～500W/（m2·K）。

活塞所处的工作环境决定了其温度分布极其复杂，活塞经冷却介质带走热量的途径很多，可经活塞环，气缸套把热量带走，也可以经气缸套直接带走。

而活塞与活塞环、活塞环与气缸套、活塞与气缸套之间，既有油膜又有气隙，并有相对运动。

因此，以上通过仿真计算、经验公式和经验值所得到的热边界条件可能与活塞实际的传热边界条件相差很大。

为了得到更为精确的热边界条件，需要对比活塞温度场计算结果与活塞上对应测点的温度值，不断修正边界条件，直到计算结果较为接近实测结果。

表1为最后得到的活塞在标定功率工况下的稳态边界条件。

2.添加热边界条件

切换到热模式

点击对流条件工具，选择曲面，并按表1输入对流系数和体表温度

继续添加边界条件

按表1逐一添加热边界条件，最后如下

3.新建热分析

弹出对话框设置如下

点击运行，开始计算，几分钟后完成

4.结果查看及分析

点击结果查看

选择温度，确定并显示。

显示后在复制一个温度梯度云图

图3热边界条件下活塞温度分布（单位℃）

图4热边界条件下活塞温度梯度（单位℃/mm）

活塞顶部与燃烧室接触的内侧温度最高，从活塞顶部内边缘到活塞顶外边缘，随着活塞半径的增大，温度逐渐下降。

最高温度为428℃,出现在活塞顶靠近燃烧室的内侧边缘处；活塞顶部最低温度约为381℃，位于活塞顶部外边缘；燃烧室底部中心温度较高达到403℃；周围底部一圈温度逐渐降低，最低温度约为372℃；火力岸温度为399℃；第一环槽区最高温度为367℃，位于活塞的第一环槽上端面，活塞环岸及裙部自上向下温度依次降低。

活塞销处的最高温度大概333℃左右，位于活塞销靠近活塞内腔侧；活塞内腔温度最高值为377℃左右；活塞裙部温度不高，裙部的最高温度311℃，位于活塞销孔正上方；最低温度158℃，位于活塞裙部下沿。

从温度分布分析可知，活塞的整个温度偏高，这是因为模拟过程中没有考虑冷却方式，也没有考虑活塞实际工作中润滑油的飞溅冷却，因此得到的温度分布总体来说偏高，特别是顶部最高温度、燃烧室底部温度、第一环槽和第一环岸的温度。

由活塞的温度梯度云图,最大温度梯度值为16.9℃/mm,最小的温度梯度值为0.068℃/mm,最大温度梯度的位置是活塞的第三环槽处,且在该处的温度梯度变化较为剧烈,迅速从最大值降低到了大部分活塞的温度梯度水平,整个活塞的温度梯度值大部分都在6.0℃/mm以下。

从温度梯度的值也可以判断出热量主要由活塞环区流出,只有少部分是由活塞销和裙部传出,更有少部分是由活塞的背面传给曲轴箱和冷却油。

三、热力耦合

1.热载荷施加

在压力分析和热分析完成的前提下，进行热力耦合分析，分析界面切换到结构分析

然后将热分析以力载荷的形式加载到力分析中去

选中使用前一设计研究，表示将要转化的分析为之前的热分析，参照温度20°，表示应力为零时的温度

2.静态分析

选择分析和设计研究工具

选择新建静态分析

名称输入str_therm，约束和载荷分别采用默认，收敛方法采用单通道自适应即可

在str_therm选中下，点击运行按钮，几分钟后分析结束

3.结果查看

点击结果查看，在下图选择应力，单位Mpa

结果如下

图5活塞的热力耦合应力（单位MPa）

图6活塞的耦合变形（单位mm）

四、敏感度分析

Pro/M通过变更设计参数来达到改变几何形状的目的。

明显地，改变几何形状将会导致应力分布、变形等参数发生改变，借助于Pro/ENGINEER模型的全参数性、关联性以及两者数据的无缝集成，Pro/M可以很方便的提取到Pro/ENGINEER参数作为优化设计的设计参数。

本文中研究最大应力对于三个不同模型参数的敏感度，分别是销座圆角，销座间距及顶壁厚

1.增加设计参数

切换到标准模块

双击销座圆角，显示出R3

选中R3并右键，选择属性

在名称中输入R，表示设置圆角半径为参数R

同样双击销座的草绘平面，在18上右键并命名为L，表示销座的间距，此数值表示草绘平面与中心面的距离，数值越大则销座长度越小，

双击内腔的草绘，选择21.8右击并命名为h，21.8与顶壁厚关联，数值越大，顶壁厚越厚。

2.定义敏感度分析

切换到分析模块，新建敏感度分析

在打开的对话框中输入参数，类型选择局部敏感度，并在变量中选择前述创建的3个参数

确定后运行分析，分析时间比较长。

结束后查看结果

3.结果分析

选择测量为最大应力，设计变量为R

在结果界面复制另外两个设计变量的最大应力，最大应力和最大变形对设计变量的敏感度如下

图7最大应力相对于圆角半径参数R和销座间距L及顶壁厚h敏感度

横坐标为设计变量的变化范围，纵坐标为最大应力（单位MPa）

图8最大位移相对于圆角半径参数R和销座间距L及顶壁厚h敏感度

横坐标为设计变量的变化范围，纵坐标为最大变形（单位mm）

从上图数据来看，最大应力对销座间距L最为敏感，对销座圆角半径R及顶壁厚h敏感度相对较小，而最大位移的敏感度与最大应力相当。

通过判断，圆角半径R及顶壁厚h对我们感兴趣的参数量影响不大，因此可以在后续的设计研究中做适当排除。

4.温度敏感度分析

图9图9最大温度及质量相对于圆角半径R敏感度

纵坐标左图为温度，右图为质量，横坐标为圆角半径R的变化

图10最大温度及质量相对于顶壁厚h敏感度

纵坐标左图为温度，右图为质量，横坐标为顶壁厚h的变化

图11最大温度及质量相对于销座间距L敏感度

纵坐标左图为温度，右图为质量，横坐标为销座间距L的变化

有图看出，最大温度对于销座间距L最敏感，顶壁厚h次之，圆角半径R影响不大。

五、优化分析

1.新建优化设计

经过前面的分析，判断优化设计从销座间距L为入口，再加入顶壁厚进行优化，此处顶壁厚选择燃烧室内腔的高度为参变量，在本模型中的属性名称为d42。

打开的对话框输入参数，类型为优化，目标以模型质量最小化，设计极限确定为最大应力为195Mpa，设计变量选择燃烧室内腔高度d42和销座间距L，二者参量变化范围如图

点击运行后经过1个多小时计算完成，查看结果

查看最大应力，最大质量优化结果

六、压力分析结果

图12力边界条件下活塞应力云图（单位MPa）

由图可以看出,活塞受到气体的爆发压力和往复惯性力的作用,它们的共同特点就是都沿着活塞的轴线方向作用,所以活塞的轴线方向承受着极大的载荷。

由于活塞在上止点附近向下运动时活塞销会出现弯曲变形,使活塞销座出现异形变形,而销座上端的较大刚度阻止活塞销座的形变,从而导致了活塞销孔的上端出现了应力的集中。

在活塞的销座得出的最大应力为180MPa左右,未超过活塞材料在常温下的最大许用应力195MPa。

而活塞的其他部位应力值都在许用应力195MPa以下。

另外,活塞加强筋与活塞顶部相连的部位也会出现应力集中的情况,但其应力值约为108MPa。

图13力边界条件下活塞变形云图（单位mm）

模拟计算出柴油机活塞的整体变形分布情况如图所示。

活塞变形中最大值为0.04698mm，位于受活塞两侧的活塞裙部的下部边缘，活塞的整体变形是以活塞销孔为变形最小的区域，不断向四周扩散，变形量也逐渐增加。

活塞顶部及燃烧室变形量大概在0.0314mm到0.011mm之间，相对来言顶部比燃烧室底部变形大。

活塞环岸及裙部区域的变形大概在0.03mm到0.001mm之间。

在活塞单独机械负荷作用下，由于加入了燃气压力，活塞裙部、活塞销座等区域应力值大大增加。

而活塞裙部下侧处的刚度非常低，因此出现较大变形。

考虑原因可能是活塞的顶部在沿活塞销孔轴向发生弯曲，这样会使裙部稍有向外增大的趋势，再者活塞在高温下本身就会膨胀，所以活塞的裙部变形会比较大。

七、热分析结果

图14热边界条件下活塞温度分布（单位℃）

图15热边界条件下活塞温度梯度（单位℃/mm）

活塞顶部与燃烧室接触的内侧温度最高，从活塞顶部内边缘到活塞顶外边缘，随着活塞半径的增大，温度逐渐下降。

最高温度为337℃,出现在活塞顶靠近燃烧室的内侧边缘处；活塞顶部最低温度约为313℃，位于活塞顶部外边缘；燃烧室底部中心温度较高达到316℃；周围底部一圈温度逐渐降低，最低温度约为297℃；火力岸温度为305℃；第一环槽区最高温度为291℃，位于活塞的第一环槽上端面，活塞环岸及裙部自上向下温度依次降低。

活塞销处的最高温度大概270℃左右，位于活塞销靠近活塞内腔侧；活塞内腔温度最高值为298℃左右；活塞裙部温度不高，裙部的最高温度255℃，位于活塞销孔正上方；最低温度144℃，位于活塞裙部下沿。

从温度分布分析可知，活塞的整个温度偏高，这是因为模拟过程中没有考虑冷却方式，也没有考虑活塞实际工作中润滑油的飞溅冷却，因此得到的温度分布总体来说偏高，特别是顶部最高温度、燃烧室底部温度、第一环槽和第一环岸的温度。

由活塞的温度梯度云图,最大温度梯度值为12.45℃/mm,最小的温度梯度值为0.033℃/mm,最大温度梯度的位置是活塞的第三环槽处,且在该处的温度梯度变化较为剧烈,迅速从最大值降低到了大部分活塞的温度梯度水平,整个活塞的温度梯度值大部分都在5℃/mm以下。

从温度梯度的值也可以判断出热量主要由活塞环区流出,只有少部分是由活塞销和裙部传出,更有少部分是由活塞的背面传给曲轴箱和冷却油。

八、敏感度分析结果

图16最大应力相对于圆角半径参数R和销座间距L及燃烧室内腔高度B（顶壁厚）敏感度

横坐标为设计变量的变化范围，纵坐标为最大应力（单位MPa）

图17最大位移相对于圆角半径参数R和销座间距L及燃烧室内腔高度B（顶壁厚）敏感度

横坐标为设计变量的变化范围，纵坐标为最大变形（单位mm）

九、优化设计结果

经过前面的分析，判断优化设计从销座间距L为入口，再加入顶壁厚进行优化，此处顶壁厚选择燃烧室内腔的高度为参变量，在本模型中的属性名称为B。

新建优化设计研究

在优化研究定义对话框输入参数，类型为优化，目标以模型质量最小化，设计极限确定为应力小于170Mpa，设计变量选择燃烧室内腔高度B和销座间距L，二者参量变化范围如图

运行分析，1个小时后，计算完成

查看最大应力，最大质量优化结果

图18优化后最大应力和最大质量

纵坐标左图最大应力（MPa），右图最大质量（kg），横坐标优化通道

最大应力云图和最大变形云图

图19优化后最大应力和最大位移云图

纵坐标左图应力云图（MPa），右图位移云图（kg），横坐标优化通道

由图20优化后最大应力和最大质量图看出，每一次最佳化过程中Pro/M都会越来越接近目标和设计限制的。

当Pro/M逼近最佳形状时，应力值停止变动，并且当应力和质量值的误差在目标和设计限制的2%之内时，最佳化即完成。

当优化通道为4时的最大最大应力为最小，约为170MPa，此时的质量为最小0.6378kg，可取此时的优化模型。

优化前质量0.64kg，优化后质量0.6378kg

优化前后模型

打开运行状态的信息窗口，定位到优化迭代4的位置，查看此时的参变量值，L=15.798，B=18，表示烧室内腔高度B和销座间距L选此值时为最优化的结构。