CN112307582A - 一种锻钢活塞的有限元建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锻钢活塞的有限元建模方法,包括如下步骤:1)建立活塞三维模型,将活塞环体和活塞本体一起做出,其中上部为焊接区,下部为配合区;2)在活塞环体的任意部位用分割面将活塞环体分割成上下两部分;3)将建好的活塞三维模型导入有限元分析软件,首先用“布尔粘接”命令将活塞环体上部和活塞环体下部两部分粘在一起,然后用“布尔相加”命令将活塞环体上部与活塞本体相加,并划分网格;后续加载计算,对配合区建立接触,体现出配合区两侧的配合关系。本发明中能真实地呈现出单焊缝激光焊整体锻钢活塞的焊接区和配合区的连接关系,有利于后续分析计算,使分析结果更准确。
Description
技术领域
本发明涉及有限元分析建模领域,具体涉及一种锻钢活塞的有限元建模方法,本发明能够准确体现单焊缝激光焊整体锻钢活塞中焊接区和配合区连接方式。
背景技术
随着高功率、低油耗、低排放的要求,发动机爆发压力也随之提升,这对活塞性能提出了更高的要求。传统的铝活塞虽然应用广泛,但是其性能在很多领域已满足不了发动机的高强化要求,采用锻钢活塞代替传统的铝活塞是提升发动机性能的必然选择。
单焊缝激光焊整体锻钢活塞是常用的锻钢活塞结构之一,其在结构上包括活塞环体和活塞本体两部分,两者通过焊接区和配合区连接成型。焊接区即焊缝位置,位于冷却油腔上部的活塞环体与活塞本体接触处;配合区位于冷却油腔下侧的活塞环体与活塞本体接触处,配合区为一个阶梯面或齿形啮合面。
在单焊缝激光焊整体锻钢活塞结构设计中,焊接区是将活塞环体与活塞本体焊接为一体,体现在有限元模型中就是焊缝两侧共享节点、存在拓扑关系;配合区是活塞环体与本体存在配合关系,并非简单的连接为一体,而是接触关系,体现在有限元中就是配合区两侧不共享节点、不存在拓扑关系。现有技术中的建模方式是将焊接区和配合区进行“布尔粘接”或建立接触对,这两种方法均无法真实的呈现出活塞环体与活塞本体的连接关系,在有限元建模中,要真实地呈现出单焊缝激光焊整体锻钢活塞的焊接区和配合区的连接关系,才有利于后续分析计算,使分析结果更准确,现在如何在有限元建模中真实地呈现出活塞环体和活塞本体在焊接区和配合区的连接关系成为行业需要解决的一大难题。具体说明如下:
现有技术中常用的有限元建模方法有两种:一是利用有限元软件中的“布尔粘接”命令将锻钢活塞的活塞环体和活塞本体粘在一起,这样焊接区和配合区的两侧都共享节点,都存在拓扑关系;二是在焊接区和配合区建立接触对,这样焊接区和配合区的两侧都不共享节点,都不存在拓扑关系,仅为配合关系。而单焊缝激光焊整体锻钢活塞的实际连接关系为焊接区两侧共节点、有拓扑关系,配合区两侧相对独立、不能存在拓扑关系。以上两种方法存在的问题是:都不能准确的呈现出单焊缝激光焊整体锻钢活塞的焊接区和配合区的相对位置关系,从而导致有限元分析时不能真实的反映出活塞环体与本体连接部位的应力及变形情况。
发明内容
本发明就是为了克服上述现有技术存在的缺点,提供一种锻钢活塞的有限元建模方法。本发明中的有限元建模方法区别于传统的将单焊缝激光焊整体锻钢活塞的焊接区和配合区进行“布尔粘接”或者在焊接区和配合区建立接触对的操作方法,能真实地呈现出单焊缝激光焊整体锻钢活塞的焊接区和配合区的连接关系,有利于后续分析计算,使分析结果更准确。解决了现有技术的单焊缝激光焊整体锻钢活塞有限元建模方法无法真实的呈现出活塞环体与本体的连接关系,导致有限元分析结果不准确,不能真实的反映出活塞环体与本体连接部位的应力及变形情况的问题。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:
一种锻钢活塞的有限元建模方法,包括如下步骤:
1)建立活塞三维模型,将活塞环体和活塞本体一起做出,其中上部为焊接区,下部为配合区;
2)在活塞环体的任意部位用与活塞轴线垂直的分割面将活塞环体分割成上下两部分;
3)将建好的活塞三维模型导入有限元分析软件,首先用“布尔粘接”命令将活塞环体上部和活塞环体下部两部分粘在一起,然后用“布尔相加”命令将活塞环体上部与活塞本体相加,并对整个活塞进行网格划分;
4)后续加载计算,对配合区建立接触,体现出配合区两侧的配合关系。
所述步骤1)采用软件UG、Pro/E、CATIA建立活塞三维模型。
所述步骤1)的焊接区为外圆柱面和内孔通过激光焊接连接为一体,配合区为凸台与凹槽配合。
所述步骤2)通过在第二环岸位置用分割面把活塞环体分隔开,活塞环体被分成活塞环体上部和活塞环体下部两部分。
本发明的有益效果是:
1.本发明中的有限元建模方法区别于传统的将单焊缝激光焊整体锻钢活塞的焊接区和配合区进行“布尔粘接”或者在焊接区和配合区建立接触对的操作方法,能真实地呈现出单焊缝激光焊整体锻钢活塞的焊接区和配合区的连接关系,有利于后续分析计算,使分析结果更准确。
本发明解决了现有技术的单焊缝激光焊整体锻钢活塞有限元建模方法无法真实的呈现出活塞环体与本体的连接关系,导致有限元分析结果不准确,不能真实的反映出活塞环体与本体连接部位的应力及变形情况的问题。
2.本发明在用三维建模软件对单焊缝激光焊整体锻钢活塞进行三维建模时,通过用一个面将活塞环体在任意处一分为二,然后将模型导入有限元分析软件中,通过“布尔相加”使顶面焊接区两侧连接为一体,实现共享节点;通过建立接触对呈现出配合区两侧的配合关系,且配合区两侧相互独立、不存在拓扑关系的建模方法,能更准确的呈现出单焊缝激光焊整体锻钢活塞的焊接区及配合区的位置关系,使有限元分析得到的结果更接近活塞的实际工作情况,更准确的反应出活塞焊缝、配合区乃至活塞整体的应力及变形,使设计方案通过有限元分析得到有效验证,为活塞产品的设计开发提供更准确的技术支持。
3.采用成熟的UG、Pro/E、CATIA等软件,投资少,工作效率高,提高活塞产品的设计开发效率。
4.所述焊接区为外圆柱面和内孔通过激光焊接连接为一体,配合区为凸台与凹槽配合。本发明中在焊接区采用的是单焊缝激光焊接方式,相比摩擦焊的焊接方式,有以下优点:①内冷油腔内无焊接飞边,避免其对冷却效果的不利影响;②可解决压缩高较小的锻钢活塞对结构的限制;③只有一个焊接位置,高效节能;④焊接节拍短,生产效率高,可迅速大规模生产应用;
5.通过对整个活塞进行网格划分,划分网格后焊接区两侧共节点、有拓扑关系,配合区两侧相对独立,不存在拓扑关系。这样能真实的体现出单焊缝激光焊整体锻钢活塞的焊接区和配合区的连接关系,有利于后续分析计算,使分析结果更准确。另外,需要特别说明的是,“布尔粘接”和“布尔相加”呈现的效果是相同的,都是使接触面两侧连接在一起,且共节点;区别是“布尔相加”是将两个或多个实体合并生成一个实体,而“布尔粘接”运算后两个实体仍保持相互独立,仅在交界处共用节点。所以这一步操作中“布尔粘接”和“布尔相加”命令一定要按上述顺序进行,不可互换。如果逆向操作,将达不到本发明的目的。
6.通过选取在第二环岸位置用分割面把活塞环体分隔开,活塞环体被分成活塞环体上部和活塞环体下部两部分,具体地说,选择在二环岸处做分割面是因为二环岸附近温度梯度较小,且其对应的内冷油道侧面是垂直面,便于做分割面而且有限元网格划分时易形成规则网格;而大部分的单焊缝激光焊整体锻钢活塞的火力岸及三环岸对应的内冷油道侧面为圆弧面,如果选择在火力岸及三环岸做分割面,这时分割面就需要做成斜面,不仅增加做分割面的难度,而且不利于有限元网格划分。
附图说明
图1为本发明中实施例的结构示意图一;
图2为本发明中实施例的结构示意图二;
图3为本发明中实施例的结构示意图三。
图中,1、活塞环体;2、活塞本体;3、焊接区;4、配合区,5、分割面;6、活塞环体上部;7、活塞环体下部。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
如图1-3所示,一种锻钢活塞的有限元建模方法,具体包括如下步骤:
1)建立活塞三维模型,将活塞环体1和活塞本体2一起做出,如图1所示,其中上部为焊接区3,下部为配合区4;常用的软件有:UG、Pro/E、CATIA等,采用成熟的软件,投资少,工作效率高。
所述焊接区3为外圆柱面和内孔通过激光焊接连接为一体,配合区4为凸台与凹槽配合。
2)在活塞环体1的任意部位用分割面把活塞环体1分割成上下两部分,如图 2所示;
本发明实施例中通过选取在第二环岸位置用分割面5把活塞环体1分隔开,活塞环体1被分成活塞环体上部6和活塞环体下部7两部分。
3)将建好的活塞三维模型导入有限元分析软件,首先用“布尔粘接”命令将活塞环体上部6和活塞环体下部7两部分粘在一起,然后用“布尔相加”命令将活塞环体上部6与活塞本体2相加,并对整个活塞进行网格划分,画好的网格结果如图3所示。
在此需要特别说明一下“布尔粘接”和“布尔相加”命令的异同点:本领域的技术人员知晓,“布尔粘接”和“布尔相加”呈现的效果是相同的,都是使接触面两侧连接在一起,且共节点,区别是“布尔相加”是将两个或多个实体合并生成一个实体,而“布尔粘接”运算后两个实体仍保持相互独立,仅在交界处共用节点。所以本发明的这一步操作步骤中“布尔粘接”和“布尔相加”命令一定要按上述顺序进行,不可互换。如果逆向操作,也就是先对活塞环体上部6与活塞本体2使用“布尔相加”,然后对活塞环体上部6和活塞环体下部7使用“布尔粘接”,这样会导致配合区4两侧被粘接到一起,出现共享节点情况,无法体现出配合关系,即无法解决本发明所能够解决的技术问题,就达不到本发明的目的。
4)后续加载计算时,对配合区4建立接触,体现出其两侧的配合关系。
本发明用三维建模软件在对单焊缝激光焊接整体锻钢活塞进行三维建模时,用一个面将活塞环体在任意处一分为二,然后将模型导入有限元分析软件中,通过“布尔相加”使顶面焊接区两侧连接为一体,实现共享节点;通过建立接触对呈现出配合区两侧的配合关系,且配合区两侧相互独立,不存在拓扑关系。这种建模方法能更准确的呈现出单焊缝激光焊锻钢活塞的焊接区及配合区的位置关系,使有限元分析得到的结果更接近活塞的实际工作情况,更准确的反应出活塞焊缝、配合区乃至活塞整体的应力及变形,使设计方案通过有限元分析得到有效验证,为活塞产品的设计开发提供更准确的技术支持。
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 (4)
1.一种锻钢活塞的有限元建模方法,其特征是,包括如下步骤:
1)建立活塞三维模型,将活塞环体和活塞本体一起做出,其中上部为焊接区,下部为配合区;
2)在活塞环体的任意部位用分割面将活塞环体分割成上下两部分;
3)将建好的活塞三维模型导入有限元分析软件,首先用“布尔粘接”命令将活塞环体上部和活塞环体下部两部分粘在一起,然后用“布尔相加”命令将活塞环体上部与活塞本体相加,并对整个活塞进行网格划分;
4)后续加载计算,对配合区建立接触,体现出配合区两侧的配合关系。
2.如权利要求1所述的一种锻钢活塞的有限元建模方法,其特征是,所述步骤1)采用软件UG、Pro/E、CATIA建立活塞三维模型。
3.如权利要求1所述的一种锻钢活塞的有限元建模方法,其特征是,所述步骤1)的焊接区为外圆柱面和内孔通过激光焊接连接为一体,配合区为凸台与凹槽配合。
4.如权利要求1所述的一种锻钢活塞的有限元建模方法,其特征是,所述步骤2)通过在第二环岸位置用分割面把活塞环体分隔开,活塞环体被分成活塞环体上部和活塞环体下部两部分。
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