CN101364246A - 一种校核发动机活塞强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种校核发动机活塞强度的方法，属于发动机活塞领域。所述方法包括：对活塞、活塞销、连杆、缸套进行有限元网格划分；对经过有限元网格划分的活塞、活塞销、连杆、缸套进行加载传热边界条件；对活塞温度场进行求解，然后进行热应力，机械应力以及疲劳计算；对经过温度场求解，热应力、机械应力以及疲劳计算后的活塞进过结果评价。通过本发明的技术方案，大大的缩短了产品开发周期，在样件的试制以前，可以在虚拟环境中模拟活塞实际工况的各种性能，提高了开发效率，节省大量的试验成本，为活塞产品设计指明了方向。
Description
技术领域
本发明涉及发动机的活塞领域，特别涉及一种校核发动机活塞强度的方法。
背景技术
活塞是发动机最重要的部件之一，对其进行温度场、热应力、机械应力以及疲劳计算是一件很重要的工作，这可以指导活塞的设计并对活塞的设计进行评价，这种不通过试验或者通过较少试验来进行虚拟产品设计与仿真的方法，不仅缩小了产品开发周期，也减少了开发成本。
目前活塞的计算方法中，有一些是采用手工计算的，因为活塞强度比较复杂，手算不能准确的考虑活塞的真实的情况，更多采用的是假设，误差自然也就很大；也有采用有限元计算的，但是这种用有限元计算的方法，只考虑活塞和活塞销之间的相互作用，并没有考虑缸套，连杆以及燃烧特性曲线对活塞强度的影响，考虑的工况也不够全面，本文提出的方法，考虑活塞实际的压力工况曲线，缸套与活塞之间的接触，水套与缸套之间的热边界，连杆与活塞销之间的相互作用等随曲轴转角而变化的各种复杂的工况，更加准确的模拟发动机真实工作情况
发明内容
为了缩短开发周期，减少开发成本，准确描述活塞的运动工况，本发明提供了一种校核发动机活塞强度的方法。
该方法用有限元技术对发动机活塞的温度场、热应力、机械应力、疲劳等进行计算，建立了一套校核方法和流程，从而能更好的进行指导活塞的设计和对活塞进行合理的评价，并据此进行改进。
本发明技术方案具体如下：
一种校核发动机活塞强度的方法，包括如下步骤：
对活塞、活塞销、连杆、缸套进行有限元网格划分；
对经过有限元网格划分的活塞、活塞销、连杆、缸套进行加载传热边界条件；
对活塞温度场进行求解，然后进行热应力，机械应力以及疲劳计算；
对经过温度场求解，热应力、机械应力以及疲劳计算后的活塞进过结果评价。
其中，有限元网格划分，具体包括：
使用二阶6节点2D传热单元，二阶10节点3D传热单元，和修正的二阶10节点3D单元对活塞、活塞销、连杆、缸套进行有限元网格划分。
对活塞温度场进行求解，然后进行热应力，机械应力以及疲劳计算，具体包括：
使用二阶6节点2D传热单元和二阶10节点3D传热单元为网格，对每个网格中的活塞温度场进行求解；
使用修正的二阶10节点3D单元为网格，对每个网格中的活塞热应力进行计算；
使用修正的二阶10节点3D单元为网格，对每个网格中的活塞机械应力和疲劳强度进行计算。
对活塞进过结果评价，具体包括：
根据活塞的温度，最大热应力最大机械应力，和，疲劳强度对所述经过温度场求解，热应力、机械应力以及疲劳强度，对活塞进过结果评价，得到评定结果。
通过本发明中的技术方案，大大的缩短了产品开发周期，在样件的试制以前，可以在虚拟环境中模拟活塞实际工况的各种性能，提高了开发效率，节省大量的试验成本，为活塞产品设计指明了方向。
附图说明
图1是实施例中校核发动机活塞强度的方法的流程图；
图2是实施例中发动机活塞的示意图；
图3是实施例中发动机活塞连接的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本实施例提供一种校核发动机活塞强度的方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤101：有限元网格划分；
如图2、图3所示，本实施例中对活塞、活塞销、连杆、缸套等进行有限元网格划分。使用DS6类型单元(二阶6节点2D传热单元)、DC3D10类型单元(二阶10节点3D传热单元)，和C3D10M类型单元(修正的二阶10节点3D单元)为网格的基本单元，在容易产应应力集中的部位，如避阀坑等部位，离散单元要更加细致，一定要保证在关键部位有足够的网格精度。在各部件的接触部位，注意网格节点要一一对应，提高收敛性。
步骤102：加载传热边界条件，传热边界条件包括三类，第一类传热边界条件指的是给定边界的温度，第二类传热边界条件指的是给定边界热流密度，第三类传热边界条件，是给定边界环境的温度和对流换热系数，具体如下：
102a：燃烧室内的气体，并进行燃烧计算，取得燃烧室内平均温度和换热系数作为活塞顶面和缸套内侧热分析的第三类传热边界条件；
102b：对水套进行CFD(计算流体动力学，Computational Fluid Dynamics)计算，得到缸套外侧的第三类传热边界条件(缸套的换热边界以及温度是通过水套CFD计算得到的)；
102c：通过对活塞关键部位布置传感器，经验公式以及使用活塞材料硬度和温度之间的定性关系，求得活塞各环岸、环、裙部等其他区域的第三类传热边界条件；
102d：对发动机性能进行计算，得到缸内压力与曲轴转角之间的关系，作为机械压力传热边界条件；
102e：热应力和机械应力的结果作为疲劳计算的传热边界条件。
步骤103：对活塞温度场进行求解，进而进行热应力、机械应力以及疲劳计算，具体包括如下步骤：
103a：温度场计算；使用DS6(二阶6节点2D传热单元)和DC3D10类型单元(二阶10节点3D传热单元)为网格，对每个网格中的活塞温度场进行求解；
103b：热应力计算；使用C3D10M类型单元(修正的二阶10节点3D单元)为网格，对每个网格中的活塞热应力进行计算；
103c：机械应力和疲劳计算；使用C3D10M类型单元(修正的二阶10节点3D单元)为网格，对每个网格中的活塞机械应力和疲劳强度进行计算。
该过程主要考察最大爆压工况等几种不同工况。
步骤104：对活塞进行结果评价；
一般考虑根据如下几个因素：活塞顶面的温度不能超过300—350℃；第一环槽的温度不能超过润滑油的结焦温度；产生的最大应力小于材料的强度极限即可认为活塞满足强度要求；产生的疲劳因子应小于我们经验值的安全因子，以保证安全可靠。
如果结构不合理，就要对活塞的设计进行修正，然后，重新执行上述步骤，对修正设计后的活塞强度进行校核。
本实施例中的技术方案，大大的缩短了产品开发周期，在样件的试制以前，可以在虚拟环境中模拟活塞实际工况的各种性能，提高了开发效率，节省大量的试验成本，为活塞产品设计指明了方向。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种校核发动机活塞强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a：对活塞、活塞销、连杆、缸套进行有限元网格划分；
步骤b：对所述经过有限元网格划分的活塞、活塞销、连杆、缸套进行加载传热边界条件；
步骤c：对所述活塞温度场进行求解，然后进行热应力，机械应力以及疲劳计算；
步骤d：对所述经过温度场求解，热应力、机械应力以及疲劳计算后的活塞进过结果评价。
2.根据权利要求1所述的校核发动机活塞强度的方法，其特征在于，所述步骤a中，具体包括：
使用二阶6节点2D传热单元，二阶10节点3D传热单元，和修正的二阶10节点3D单元对活塞、活塞销、连杆、缸套进行有限元网格划分。
3.根据权利要求1所述的校核发动机活塞强度的方法，其特征在于，所述步骤c中，具体包括：
使用二阶6节点2D传热单元和二阶10节点3D传热单元为网格，对每个网格中的活塞温度场进行求解；
使用修正的二阶10节点3D单元为网格，对每个网格中的活塞热应力进行计算；
使用修正的二阶10节点3D单元为网格，对每个网格中的活塞机械应力和疲劳强度进行计算。
4.根据权利要求1所述的校核发动机活塞强度的方法，其特征在于，所述步骤d中，具体包括：
根据活塞的温度，最大热应力最大机械应力，和，疲劳强度对所述经过温度场求解，热应力、机械应力以及疲劳计算后的活塞进过结果评价，得到评定结果。
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