CAD/CAE技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃鼎鍵 鐘 勇 黃 鍵

?

CAD/CAE技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

黃鼎鍵 鐘 勇 黃 鍵

福建工程學(xué)院機(jī)電及自動(dòng)化工程系

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中最為重要的部件之一。運(yùn)用CAD/CAE技術(shù)建立某活塞有限元模型，以及相應(yīng)的邊界條件，在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械負(fù)荷作用下的活塞進(jìn)行三維有限元分析，得到了活塞的應(yīng)力和變形情況，為活塞的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

活塞；機(jī)械負(fù)荷；有限元法

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件之一，它的工作情況直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性和使用耐久性，同時(shí)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能及經(jīng)濟(jì)性。本文以某汽車配件公司正開發(fā)的活塞為研究對(duì)象, 綜合應(yīng)用CAD/CAE技術(shù)對(duì)活塞進(jìn)行強(qiáng)度有限元分析，以期得到活塞應(yīng)力分布及變形量，為開發(fā)和改進(jìn)活塞結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1　活塞實(shí)體模型和有限元模型的建立

1.1 三維實(shí)體模型建立及模型傳輸

根據(jù)活塞設(shè)計(jì)圖紙，利用三維CAD建模軟件UG3.0建立了滿足工程分析要求的活塞三維實(shí)體模型如圖1所示。

通過(guò)UG3.0與ANSYS10.0的專用模型傳輸接口，將所建立的活塞三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS10.0中，如圖2所示，為建立有限元模型做準(zhǔn)備。

圖1　活塞三維實(shí)體模型

圖2　導(dǎo)入ANSYS后的活塞模型

1.2 單元類型

采用四面體實(shí)體單元SOLID92對(duì)活塞進(jìn)行網(wǎng)格劃分；SOLID92是一種10節(jié)點(diǎn)的四面體單元，其幾何結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)位置和坐標(biāo)系如圖3所示；Solid92單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形、大應(yīng)變的特性[1]。根據(jù)分析要求，主體單元尺寸大小為2 mm。

圖3 SOLID92單元

1.3 活塞材料屬性

在網(wǎng)格劃分前，除了設(shè)置活塞的單元類型之外，還要定義活塞的材料屬性，該活塞采用的是ZL109共晶鋁合金，其材料的特性，如表1所示。

表1 活塞的材料屬性

劃分網(wǎng)格后，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化后，建立了活塞有限元模型如圖4所示，共計(jì)90 352個(gè)節(jié)點(diǎn)，53 439個(gè)單元。

圖4　活塞有限元模型

2　活塞有限元分析

本文以活塞標(biāo)定轉(zhuǎn)速5 000 r/m下，最大燃燒壓力作用在活塞頂部的工況為典型分析工況；此工況下，活塞受到燃?xì)鈮毫?、慣性力等機(jī)械負(fù)荷作用。

2.1 機(jī)械負(fù)荷邊界條件

燃燒壓力分別作用于活塞頂部、環(huán)岸、環(huán)槽各處，其中活塞頂部所受最大燃燒壓力[2]，由公司提供的示功圖可查得其值為5.4 MPa，第一環(huán)槽內(nèi)側(cè)的燃燒壓力為3.8 MPa，第一環(huán)岸與第二環(huán)岸之間的燃燒壓力為1.6 MPa，第二環(huán)槽內(nèi)側(cè)的燃燒壓力為1.6 MPa。

活塞所受慣性力是往復(fù)慣性力，其方向與活塞加速度方向相反，在ANSYS中，慣性力是以加速度的作用于模型上的，所以只要求出活塞在這一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)加速度即可。活塞運(yùn)動(dòng)加速度為

2.2 位移邊界條件

3　結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖5所示，活塞在最大燃燒壓力作用時(shí)，頂部外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓，活塞頂應(yīng)力分布值基本呈對(duì)稱分布。活塞裙部沿與銷軸垂直方向向內(nèi)側(cè)變形，活塞銷座外兩側(cè)隨之略微向外變形。最大應(yīng)力出現(xiàn)在加強(qiáng)筋與銷座連接處，其值為81.927 MPa，最大變形量位于活塞裙最下端，其值為0.264 mm。

圖5 活塞Von Mises應(yīng)力圖

4　結(jié)論

該活塞總體應(yīng)力較低，其值為50~60 MPa之間，故該活塞結(jié)構(gòu)基本符合設(shè)計(jì)要求。所承受的最大應(yīng)力值為 81.927 MPa，出現(xiàn)在加強(qiáng)筋與銷座連接處，沒有超過(guò)最大拉壓強(qiáng)度值，但接近拉壓疲勞極限，所以該區(qū)域應(yīng)予充分重視。

[1] 周寧.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造:上冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

The Application of CAD/CAE Technology to Engine Piston Design

Huang Dingjian，Zhong Yong，Huang Jian

(Electromechanical and Automation Engineering Department，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China)

Piston is one of the most important components of an engine. A finite element model of a piston and the piston’s boundary conditions were constructed by using computer aided design (CAD)/computer aided engineering (CAE) technologies. A 3-D finite element analysis of the piston under mechanical loads was performed. The stress and deformation of the piston were obtained to enhance piston structure and product design.

piston; mechanical load; finite element method

福建省汽車電子與電驅(qū)動(dòng)科研技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（2010008），福建工程學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目（GY-Z0895）。