CN111027239A - 一种活塞的有限元分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种活塞的有限元分析方法，其包括：建立包括铝合金基体和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分的活塞的几何模型；建立包括活塞销、连杆及套缸的与活塞相关的组件的模型；活塞及相关组件几何模型导入CAE分析软件，用“粘合”命令将铝合金基体和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分粘结在一起，并将两者都定义材料属性为铝合金或者为氧化铝陶瓷纤维复合材料，得到模型1或模型2；网格划分；施加约束；模拟实际工况进行温度、机械加载，计算出模型1或模型2的包括应力、应变分析结果；将步骤6中的计算结果导入到疲劳分析软件中，得到模型1或模型2的疲劳计算结果。本发明采用统一的材料属性，有效避免材料性能差导致的残余应力，使分析结果更准确。
Description
(一)技术领域
本发明涉及机械结构的计算机辅助(CAE)工程技术领域，具体为一种活塞的有限元分析方法。
(二)背景技术
近年来，随着高效率、低油耗、低排放的发展趋势，发动机功率和爆发压力也随之提升，活塞所承受的热负荷和机械负荷也就越来越高，燃烧室是活塞工作中温度最高的地方，通常喉口又是燃烧室中温度最高的部位，活塞在高负荷运转时，喉口温度甚至可能超过活塞材料的疲劳极限，导致因热应力过大引起疲劳开裂或失效。所以针对高负荷发动机研发出了一款喉口镶氧化铝陶瓷纤维复合材料的活塞，增加喉口部位的强度，提高其承受热负荷及机械负荷的能力。
喉口镶氧化铝陶瓷纤维复合材料活塞的实际生产过程是先制出均匀多孔的陶瓷纤维预制件，然后基体合金铝液通过压力浸渗的方法充满到陶瓷预制件孔隙中形成复合材料，铝基体和复合材料的结合面存在过渡区域，并不会存在很大的残余应力，而且活塞经过热处理以后，结合面附近的残余应力又会减小很多，但是对于复合材料活塞的有限元分析，模型中复合材料部分和铝基体是分别做出的，过渡区域无法体现，由于氧化铝陶瓷纤维复合材料和铝合金基体材料的热导率、密度、弹性模量等材料属性存在差异，在对活塞施加机械载荷及温度载荷后活塞发生变形，产生应力，但两种材料结合面上会因材料属性的不同产生残余应力，且残余应力的存在会影响活塞整体应力的分布，从而导致分析结果不能准确的反映出活塞的应力、应变及疲劳情况，在有限元分析中如何消除结合面及其附近的残余应力或者避免残余应力对分析结果的影响成为一大难题。
(三)发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供了一种活塞的有限元分析方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种活塞的有限元分析方法，包括以下步骤：
步骤1，运用三维建模软件，建立包括铝合金基体和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分的活塞的几何模型；
步骤2，在步骤1基础上，建立包括活塞销、连杆及套缸的与活塞相关的组件的模型；
步骤3，将建好的活塞及相关组件几何模型导入CAE分析软件，用“粘合”命令将铝合金基体和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分粘结在一起，然后将铝合金基体和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分都定义材料属性为铝合金或者为氧化铝陶瓷纤维复合材料，得到模型1或模型2；
步骤4，对步骤3中的活塞及相关组件模型进行网格划分；
步骤5，对步骤4中的活塞及相关组件模型施加约束；
步骤6，对步骤5中的模型模拟实际工况进行温度加载和机械加载，计算出包括应力、应变的有限元分析结果；
步骤7，将步骤6中的计算结果导入到疲劳分析软件中，得到包括疲劳系数的疲劳计算结果。
优选的，步骤2中，为了提高计算速度，取关于对称面对称的活塞、活塞销、连杆及缸套的一半模型作为分析模型。
优选的，在步骤4的网格划分时活塞及连杆采用10节点二阶四面体solide187单元，活塞销及缸套采用20节点二阶六面体solide186单元。
优选的，步骤5中，对称面建立对称约束；活塞裙部和缸套、销孔和活塞销以及活塞销和连杆之间建立接触约束；套缸施加全约束；连杆下端施加固定约束。
优选的，步骤3中模型1或模型2的网格模型在步骤6分别进行温度加载时，均采用第三类边界条件，两个网格模型中同一部位设置相同的环境温度及换热系数。
优选的，步骤6中机械加载包括活塞顶上的爆发压力、曲轴转角下的惯性力及连杆的摆动引起的侧向力。
本发明的有益效果是：在对复合材料的活塞进行有限元分析时，用统一的材料属性对活塞的铝基体和喉口氧化铝陶瓷纤维复合材料部分进行定义，可有效避免因热导率、密度、弹性模量等材料性能差导致的不同材料结合面及其附近部位的间残余应力，使分析结果更准确反映出结合面及其附近关键部位，乃至整个活塞的应力及疲劳分布情况。
(四)附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的活塞(包括铝合金基体和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分)三维模型结构示意图。
图2为本发明的活塞组件结构示意图。
图3为本发明的活塞网格示意图。
图4为Goodman平均应力修正曲线。
图中，1-氧化铝陶瓷纤维复合材料部分、2-铝合金基体、3-活塞、4-活塞销、5-连杆、6-缸套、7-活塞裙部。
(五)具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面将结合附图1-4对本发明技术方案做进一步的说明。
参照图1至图4所示，本发明为一种活塞的有限元分析方法包括以下步骤：
步骤1，运用三维建模软件，建立包括铝合金基体2和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分1的活塞3的几何模型。常用的三维模型软件包括UG、Solid Works、pro-e等，在本实施例中用UG绘制三维模型，如图1所示；
步骤2，在步骤1基础上，建立包括活塞销4、连杆5及套缸6的与活塞3相关的组件的模型。由于活塞结构复杂，通常有限元分析时要对几何模型进行简化处理，在建模过程中既要考虑到模型的准确性，又要便于网格划分，所以活塞组件几何模型中的挡圈槽、槽底圆角等小特征都已忽略。考虑到该活塞组件整体结构的对称性，对称轴两侧的受力状态和形式基本一致，为了提高计算速度，取关于对称面对称的活塞3、活塞销4、连杆5及缸套6的一半模型作为分析模型，如图2所示。
步骤3，将建好的活塞3及相关组件几何模型导入CAE分析软件，CAE分析软件由ansys、abaqus、nastran等，本实施中用ansys进行有限元分析。用ansys中的“粘合”命令将铝合金基体2和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分1粘结在一起，然后将铝合金基体2和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分1定义材料属性：
将铝合金基体2和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分1都定义为铝合金的材料属性，称之为模型1，分析结果用于评价铝合金基体的应力及疲劳情况；
或者，将铝合金基体2和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分1都定义为氧化铝陶瓷纤维复合材料的材料属性，称之为模型2，分析结果用于评价喉口部位氧化铝陶瓷纤维复合材料的应力及疲劳情况；
上述两种材料属性定义可以先选一种，比如模型1，然后将模型2另存，等模型1有限元分析整个过程全部完成后，在按照分析第一种的方法步骤分析模型2，得到模型2的有限元分析结果。
步骤4，对步骤3中的活塞3及相关组件模型进行网格划分。在步骤4的网格划分时活塞3及连杆5采用10节点二阶四面体solide187单元，活塞销4及缸套6采用20节点二阶六面体solide186单元，整体采用智能网格划分，局部细小特征单独设置网格尺寸，生成模型1或模型2对应的网格模型，如图3所示；
步骤5，对步骤4中的活塞3及相关组件网格模型施加约束。由于该分析模型是活塞组件的一半，对称面建立对称约束；活塞裙部7和缸套6、销孔和活塞销4以及活塞销4和连杆5之间建立接触约束；套缸6施加全约束；连杆5下端施加固定约束；
步骤6，对步骤5中的模型模拟实际工况进行温度加载和机械加载，计算出包括应力、应变的有限元分析结果。
步骤3中模型1或模型2的网格模型在步骤6分别进行温度加载时，均采用第三类边界条件，两个网格模型中同一部位设置相同的环境温度及换热系数。
关键部位的换热计算如下：
1)一个工作循环内燃气对活塞顶部平均换热系数hm和燃气的平均温度Tgas计算公式如下：
式中，h为瞬时换热系数；θ为曲轴转角；T为燃气瞬时温度。
2)活塞外侧面换热系数
环槽和环岸及裙部是活塞工作中的重要传热通道，活塞工作产生的燃气热量经过活塞外侧面的油膜、气膜传递到缸内壁、然后通过缸套外侧的循环冷却水带走大部分热量。在整个传热过程中，冷却水作为传热终端，换热系数ɑ公式为：
式中，a为活塞与缸套之间的间隙；b为活塞缸套厚度；c为活塞环中心距；λ1、λ2、λ3分别为活塞环、缸套和燃气的导热系数；hω为缸套和水之间的换热系数。
对两个网格模型分别进行机械载荷加载，包括活塞顶上的爆发压力、曲轴转角下的惯性力及连杆的摆动引起的侧向力。
1)气体作用力：发动机工作过程中，每点火一次就会产生一次爆发压力，而该爆发压力会直接作用在活塞顶上，一般该爆发压力的大小可以利用压力传感器测量得到，或者主机厂会提供一个设计期望值，气体作用力Fg(N)为：
Fg＝πD2(Pg-P0)/4 (4)
式中，D为气缸直径(mm)；Pg为气缸内的绝对压力(MPa)；P0为曲轴箱内气体的绝对压力(MPa)。
2)惯性力：
每一个曲轴转角下的惯性力为：
Fj＝-mja＝-mjrω2(cosα+λcos2α)
(5)
式中，mj为活塞组件重量(g)；r为曲柄半径(mm)；ω为曲轴的旋转角速度(rad/s)；α为曲轴转角；λ为连杆长度和曲轴回转半径的比值。
3)侧向力：活塞在上下运动过程中由于连杆的摆动，活塞会给气缸壁一个侧向的分力，同时活塞裙部则会受到气缸壁的一个反作用力。
F＝Fg+Fa (6)
FC＝F*tanα (7)
式中，F为活塞受到的合力；Fg为气体爆发压力；Fa为惯性力；FC为侧向力。
把温度计算结果作为边界条件导入机械载荷文件，分别计算出两个模型中的热机耦合情况下的活塞应力及应变。通过模型1的分析结果查看铝合金基体2的应力及应变；通过模型2的分析结果查看喉口氧化铝陶瓷纤维部分1的应力及应变。
步骤7，将步骤6中的计算结果导入到疲劳分析软件中，得到包括疲劳系数的疲劳计算结果。在本实施例中，疲劳分析软件采用fe–safe，计算方法如下：
以图4中Goodman曲线为例计算一定疲劳寿命下的疲劳系数，如果某一点的疲劳极限值落在Goodman曲线内的P位置，我们通过坐标原点和P点做出一条线，然后延长与Goodman曲线相交，这条直线的长度记为A，P点与原点的距离记为B，A/B就是我们计算的疲劳系数。
其中，在一个循环中，Sa＝1/2(Smax-Smin)是应力幅，Sm＝1/2(Smax+Smin)是平均应力，Smax为最大应力，Smin为最小应力。
最后得到了模型1和模型2的应力和疲劳计算结果。模型1的分析结果用于评价铝合金基体的应力及疲劳情况；模型2的分析结果用于评价喉口氧化铝陶瓷纤维复合材料的应力及疲劳情况。
本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中的“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接连接，也可以是通过中间部件间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。
以上所述为本发明的优选实施方式，具体实施例的说明仅用于更好的理解本发明的思想。对于本技术领域的普通技术人员来说，依照本发明原理还可以做出若干改进或者同等替换，这些改进或同等替换也视为落在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种活塞的有限元分析方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，运用三维建模软件，建立包括铝合金基体(2)和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分(1)的活塞(3)的几何模型；
步骤2，在步骤1基础上，建立包括活塞销(4)、连杆(5)及套缸(6)的与活塞(3)相关的组件的模型；
步骤3，将建好的活塞(3)及相关组件几何模型导入CAE分析软件，用“粘合”命令将铝合金基体(2)和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分(1)粘结在一起，然后将铝合金基体(2)和氧化铝陶瓷纤维复合材料部分(1)都定义材料属性为铝合金或者为氧化铝陶瓷纤维复合材料，得到模型1或模型2；
步骤4，对步骤3中的活塞(3)及相关组件模型进行网格划分；
步骤5，对步骤4中的活塞(3)及相关组件网格模型施加约束；
步骤6，对步骤5中的模型模拟实际工况进行温度加载和机械加载，计算出包括应力、应变的有限元分析结果；
步骤7，将步骤6中的计算结果导入到疲劳分析软件中，得到包括疲劳系数的疲劳计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种活塞的有限元分析方法，其特征在于：步骤2中，为了提高计算速度，取关于对称面对称的活塞(3)、活塞销(4)、连杆(5)及缸套(6)的一半模型作为分析模型。
3.根据权利要求1所述的一种活塞的有限元分析方法，其特征在于：在步骤4的网格划分时活塞(3)及连杆(5)采用10节点二阶四面体solide187单元，活塞销(4)及缸套(6)采用20节点二阶六面体solide186单元。
4.根据权利要求1或2所述的一种活塞的有限元分析方法，其特征在于：步骤5中，对称面建立对称约束；活塞裙部(7)和缸套(6)、销孔和活塞销(4)以及活塞销(4)和连杆(5)之间建立接触约束；套缸(6)施加全约束；连杆(5)下端施加固定约束。
5.根据权利要求1所述的一种活塞的有限元分析方法，其特征在于：步骤3中模型1或模型2的网格模型在步骤6分别进行温度加载时，均采用第三类边界条件，两个网格模型中同一部位设置相同的环境温度及换热系数。
6.根据权利要求1所述的一种活塞的有限元分析方法，其特征在于：步骤6中机械加载包括活塞顶上的爆发压力、曲轴转角下的惯性力及连杆的摆动引起的侧向力。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A Finite Element Analysis Method for Pistons Granted publication date: 20230404 Pledgee: Binzhou branch of China CITIC Bank Co.,Ltd. Pledgor: BINZHOU BOHAI PISTON Co.,Ltd. Registration number: Y2024980014544 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |