CN107679346A - 一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，它解决了现有技术中活塞负荷过大、不能有效对活塞裙部受力进行分析的问题，具有对活塞裙部进行受力分析，通过改变裙部参数对活塞裙部进行优化使活塞更加满足工作要求的效果；其技术方案为：包括以下步骤：建立活塞的三维模型，设定活塞参数并划分网格；分析活塞裙部机械应力及变形，得到活塞裙部的最大应力位置；对活塞裙部边缘进行优化，得到裙部优化结果。

Description

一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法

技术领域

本发明涉及发动机零部件领域，尤其涉及一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法。

背景技术

整个发动机的运动核心是发动机曲轴带动活塞连杆进行的直线冲压运动，通过这个运动将燃料的化学能转化为驱动发动机运动的机械能，而在此运动过程中，活塞的可靠性，尤其是活塞裙部的可靠性是最为重要的，活塞作为发动机提供动力的重要部件，活塞冲程和回程过程中为非匀速之前运动，带动活塞连杆与曲轴进行转动从而输出扭矩，活塞燃烧室直接面对最大爆发压力，受到极高的温度和机械载荷。

伴随着现代工业技术的快速发展，多种新技术、新研究成果应用与发动机的设计过程中，以及越来越严格的排放标准，使得发动机不得不向着高转速、高功率、低油耗、低排放的新的方向发展。在功率的增大的情况下，通常会给发动机带来许多的负面影响，当发动机的功率增大时，活塞的热负荷必然会增大，当活塞温度过高时，可能会使得活塞的材料失效，从而产生裂纹或者断裂。

现有技术中有时用陶瓷作为活塞材料，以其绝热性能好、减少热传递，从而减少热负荷。活塞裙部的工作环境是非常恶劣的，它在承受高机械负荷的同时还承受着往复惯性力和侧向推力。现在，汽油的爆发压力越来越大，因此裙部承受的侧推力也越来越大，这将会导致更严重的机械变形。

实践表明，活塞裙部因机械负荷过大所表现出的问题是：活塞的侧推力对缸壁产生周期性冲击，引起缸套的振动和产生噪声，严重时将会引起缸套外表面穴蚀。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其具有对活塞裙部进行受力分析，通过改变裙部参数对活塞裙部进行优化使活塞更加满足工作要求的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，包括以下步骤：

步骤1建立活塞的三维模型，设定活塞参数并划分网格；

步骤2分析活塞裙部机械应力及变形，得到活塞裙部的最大应力位置；

步骤3对活塞裙部边缘进行优化：

步骤3-1改变活塞裙部边缘的圆角尺寸，其余模型尺寸和边界条件不变，分析活塞裙部应力及变形；

步骤3-2改变活塞裙部厚度，其余模型尺寸和边界条件不变，分析活塞裙部应力及变形；

步骤4分析上述两种优化方式，得到裙部优化结果。

进一步的，所述步骤1中活塞参数包括活塞材料、弹性模量、泊松比和活塞密度；划分网格时选用十节点带中间节点的四面体单元。

进一步的，所述活塞材料采用铝合金，弹性模量为69GPa，泊松比为0.31，密度为2730g/mm³。

进一步的，采用网格尺寸为2.5mm的自由划分网格方式进行划分。

进一步的，所述步骤1中，根据划分的网格类型以及其结构参数，建立单元整体刚度矩阵。

进一步的，所述步骤2中活塞裙部最大应力位置在其侧面中心线处。

进一步的，所述步骤2中，活塞裙部受力公式为：

P_n＝P_z×tanβ；

其中，P_z为活塞往复惯性力P_g与燃气作用力P_a的合力，β为发动机连杆施加到活塞的力偏离活塞轴线的夹角。

进一步的，根据活塞质量G_a和连杆小头质量G_b及活塞运动加速度a得出往复惯性力P_g的数值。

进一步的，所述步骤3中，改变圆角尺寸后在分析软件中进行设置材料参数、划分网格、建立约束、施加载荷和计算操作。

进一步的，所述步骤3中，改变活塞裙部厚度后在分析软件中进行设置材料参数、划分网格、建立约束、施加载荷和计算操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明给出活塞的等效模型，得到活塞裙部受力情况；结合有限元分析，能够模拟活受力的真实情况，为得到适用于各工况的活塞奠定了基础；

(2)本发明通过改变活塞裙部圆角、裙部厚度的方式对活塞进行优化，通过分析情况能够选择最优的活塞受力方式。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明的活塞等效模型受力分析图；

图3为本发明的活塞等效模型合力分解图；

图4为本发明的活塞等效模型运动分析图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在活塞负荷过大、不能有效对活塞裙部受力进行分析的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其优化过程为：

(一)建立活塞的三维模型

由于活塞为对称结构，以活塞沿轴线分割的一半进行划分网格，活塞采用7075-T651铝合金，弹性模量为69GPa，泊松比为0.31，密度为2730g/mm³。

采用自由网格划分方式，为了克服需要分析的比较复杂工况时，使用平面三角线性划分单元格对其进行离散常达不到所要求的精度，选用10节点带中间节点的四面体Solide187单元，采用网格尺寸为2.5mm的自由划分网格的方式进行划分。

根据划分网格的类型以及其结构参数，建立单元整体刚度矩阵。

结构刚度矩阵有单元刚度矩阵组成，有限元的基本公式为：

{F}^e＝[K]^e{x}^e (1)

式中，[K]^e为单元刚度矩阵，{x}^e为单元节点位移向量，{F}^e为单元节点力向量。

根据活塞结构体的载荷数据，对结构单元体设立相应的边界条件；并对该结构的单元体的微分方程或者方程组进行求解，得到相应的求解云图或者适量图。

(二)分析活塞裙部机械应力及变形

如图2-图3所示，活塞往复惯性力P_g作用位置在整个活塞体的中心线上，整个活塞体的质量包括活塞质量G_a和连杆小头质量G_b，根据整个活塞体的质量及活塞运动加速度a可以求出活塞往复惯性力P_g的数值；发动机连杆施加到活塞的力为P_l，发动机连杆施加到活塞的力偏离活塞轴线的夹角为β。

活塞裙部受力的确定过程为：

(1)确定活塞惯性加速度a

如图4所示，由于活塞运动到上下止点时运动方向改变，那么活塞运动到上下止点时的往复运动速度为零，加速度和惯性力都是最大值；在活塞位于整个过程中间位置时，活塞的运动速度是最大值，而加速度为零，相对应的惯性力同样也是零；因此，可以通过加速度对于以恒定角速度ω旋转的曲轴，已知活塞冲程回程的距离的等效模型，求出活塞惯性加速度a。

活塞的位移x由其上止点开始测量，可得：

式(2)中：R为曲柄半径；L为连杆长度；α为活塞在最大压力时的曲柄转角。

通过公式(2)和(3)可以得到往复活塞式发动机活塞位移的近似计算表达式，如下：

将活塞的位移公式(4)进行微分，可求得活塞运动速度，为：

再对活塞的速度公式(5)求导，可得活塞运动加速度，为：

a＝Rω²(cosα+λcos2α) (6)

(2)确定活塞往复惯性力P_g

活塞往复惯性力为：

P_g＝F_i·V＝F_i·2r_id_i (7)

式(7)中，r_i为活塞销孔半径；d_i为活塞销孔厚度。

F_i＝-m_j·a＝-m_j·Rω²(cosα+λcos2α) (8)

式中：m_j是活塞往复运动惯性质量，其等于活塞质量G_a和连杆小头质量G_b之和。

分析活塞销孔最大受力时，忽略影响较小的侧压力，仅考虑在提前角(发动机最大连杆施加给活塞的力偏离气缸轴线的角度)处的往复惯性力和最大燃气作用力，得到合力P_z。

(3)确定活塞裙部受力

由于活塞裙部的主要作用是导向，使活塞沿气缸中心线做往复直线运动，因此活塞受到的侧推力大部分都作用在活塞裙部。

活塞裙部受力公式为：

P_n＝P_z×t anβ (8)

其中，P_z为活塞往复惯性力P_g与燃气作用力P_a的合力。

(三)对活塞裙部边缘进行优化

首先改变活塞裙部边缘处的圆角尺寸，从2mm改为5mm，其余模型尺寸和边界条件不变，然后将其导入到Ansys workbench软件中，对其进行设置材料参数、划分网格、建立约束、施加载荷、计算操作，得到裙部应力变化数值，如表1所示：

表1改变裙部边缘圆角后应变量沿着活塞裙部中心线的变化数值

根据圆角变化，选择最优的圆角值。

再改变活塞裙部厚度，将活塞裙部内表面向内扩充了5mm，其余模型尺寸和边界条件不变，然后将其导入到Ansys workbench中，对其进行设置材料参数、划分网格、建立约束、施加载荷和计算操作，得到裙部应力变化数值，如表2所示：

表2改变厚度后应变量沿着活塞裙部中心线的变化数值

活塞裙部的厚度对活塞应力和位移变化有着很大的影响，裙部过厚会使活塞的质量变大，根据活塞厚度优化过程选择最佳裙部厚度，既能减小最大应力值，减小活塞裙部的最大变形，又能达到活塞所需的质量标准。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1建立活塞的三维模型，设定活塞参数并划分网格；

步骤2分析活塞裙部机械应力及变形，得到活塞裙部的最大应力位置；

步骤3对活塞裙部边缘进行优化：

步骤3-1改变活塞裙部边缘的圆角尺寸，其余模型尺寸和边界条件不变，分析活塞裙部应力及变形；

步骤3-2改变活塞裙部厚度，其余模型尺寸和边界条件不变，分析活塞裙部应力及变形；

步骤4分析上述两种优化方式，得到裙部优化结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，所述步骤1中活塞参数包括活塞材料、弹性模量、泊松比和活塞密度；划分网格时选用十节点带中间节点的四面体单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，所述活塞材料采用铝合金，弹性模量为69GPa，泊松比为0.31，密度为2730g/mm³。

4.根据权利要求2所述的一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，采用网格尺寸为2.5mm的自由划分网格方式进行划分。

5.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，所述步骤1中，根据划分的网格类型以及其结构参数，建立单元整体刚度矩阵。

6.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，所述步骤2中活塞裙部最大应力位置在其侧面中心线处。

7.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，所述步骤2中，活塞裙部受力公式为：

P_n＝P_z×tanβ；

其中，P_z为活塞往复惯性力P_g与燃气作用力P_a的合力，β为发动机连杆施加到活塞的力偏离活塞轴线的夹角。

8.根据权利要求7所述的一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，根据活塞质量G_a和连杆小头质量G_b及活塞运动加速度a得出往复惯性力P_g的数值。

9.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，所述步骤3-1中，改变圆角尺寸后在分析软件中进行设置材料参数、划分网格、建立约束、施加载荷和计算操作。

10.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的活塞裙部优化方法，其特征在于，所述步骤3-2中，改变活塞裙部厚度后在分析软件中进行设置材料参数、划分网格、建立约束、施加载荷和计算操作。