1015柴油机活塞结构设计及温度场分析
摘 要
随着科研的进步，内燃机技术得到了快速的发展，低排放高效率的内燃机的发展成为内燃机发展的主要趋势，活塞作为内燃机的主要组成部件，在内燃机中扮演着至关重要的作用。活塞在内燃机中始终于高温气体接触，承受着非常大的机械载荷和热载荷，因此掌握活塞的温度应力分析就显得十分重要。
本文以1015柴油机活塞为研究对象进行了结构设计和和有限元分析，结合经验公式和第三边界条件，得到了活塞温度场分析的热边界条件，完成了活塞的问题温度场分析，得到了活塞的温度分布云图。其次本文还对活塞的女机械应力场和热应力场进行了分析，主要包含三个方面，温度场、机械应力场和热应力场，分析结果显示，活塞的热应力大于其机械应力，其最大机械应力集中在头部，裙部的应力性对来说比较稳定。
本文主要采用有限元的分析方法，首先通过计算设计出活塞的cad模型，进一步采用有限元软件进行有限元分析，得到活塞的温度分布和应力分布，得到活塞正常工作时的运行状态，进而优化cad模型，仿真驱动设计，从而提高柴油发动机的整体性能。

关键词：柴油机，活塞，温度场，应力场

1  绪论    1
1.1 概述    1
1.2 国内外研究现状    1
1.2.1 国内研究现状    2
1.2.2  国外研究现状    3
1.3  课题研究的内容和方法    3
1.3.1  设计原始数据    4
1.3.2  主要工作内容    4
1.4  本章小结    4
2  活塞的设计方法    5
2.1  活塞结构设计    5
2.1.1  活塞头部设计    5
2.1.2  活塞销座设计    6
2.1.3  活塞裙部设计    7
2.1.4  活塞的结构参数    8
2.2  活塞材料选型    8
2.3  活塞校核计算    9
2.3.1  第一环岸强度估算    9
2.3.2  活塞销座比压估算    10
2.3.3  活塞裙部比压估算    10
2.4  本章小结    10
3  活塞的三维建模    11
4  活塞的有限元分析    12
4.1  ansys软件简介    13
4.2  活塞的温度场分析    14
4.2.1  传热边界条件的确定    15
4.2.2  活塞温度场结果分析    15
4.3  活塞的应力场分析    17
4.3.1  活塞受力分析    17
4.3.2  活塞机械应力分析结果    17
4.4  活塞的热应力分析    18
4.4.1  活塞热应力分析结果    19
4.5  本章小结    20
5  活塞的设计改进    21
6  工程背景    22
6.1  工程成本核算    22
6.2  所需器材费用    22
6.3  工程项目对社会环境的影响    22
6.4  本章小结    23
7  总结    24
8  展望    25
参考文献    26
致  谢    27

1  绪论
1.1 概述
柴油发动机发展距今已有100多年的历史，由于其效率高，应用性强的特点，已经广泛应用于我国的交通运输、农业生产和国防建设当中[1]。随着科学技术的发展，人们对内燃机动力性能提出了更高的要求，随着高压喷射系统的广泛应用，比如高压共轨系统和电控单元喷射系统，高压喷射系统可以提供更高的功率密度，提升燃油效率和降低排放。目前高热效率、高功率、低排放是柴油机发展的主要方向，在追求高功率的同时，提高了缸内燃烧压力的峰值，无疑提高了柴油发动机内部的机械负荷和热负荷，从而影响内燃机的耐久性。因此选择合适正确的材料和进行内部主语零部件温度场的应力应变分析就显得格外重要[2-3]。
活塞作为柴油发动机的主要组成部件，发动机在运行的过程中缸内产生的爆炸压力经过活塞传递给发动机曲轴，从而推动曲轴转动，活塞头部在整个传递的过程中承受着强大的爆发压力和高温作用，于此同时，活塞还在做往复运动，承受机械负荷，在运动的过程中会出现摩擦损耗和结构变形，于此同时活塞头因为长期和高温气体压力接触，其表面也有可能发生破坏，从而导致发动机无法正常运行，因此柴油发动机的主要核心部件活塞在设计的过程中要选择耐高温抗机械负荷能力强的材料，同时抗疲劳强，耐磨损[4]。
因此活塞的仿真分析非常有必要，目前主要采用有限元的分析方法，首先通过计算设计出活塞的cad模型，进一步采用有限元软件进行有限元分析，得到活塞的温度分布和应力分布，得到活塞正常工作时的运行状态，进而优化cad模型，仿真驱动设计，从而提高柴油发动机的整体性能。
1.2 国内外研究现状
随着计算机技术的发展，数值分析技术在活塞模拟中得到了广泛的应用，国内外也对活塞做了很多深入的研究，其中包括活塞的温度场分析，热疲劳分析，热冲击载荷分析和机械强度分析[5]。采用数值模拟分析相比于传统的实验分析具有开发周期短、成本低的优势。因此基于计算机技术的数值模拟分析已经成为绝大数学者和工程师的首选方式。常见的数值模拟方法主要有Boundary Element ,Finite Element Method,Finite Difference Method三种比较常见的分析方法，对于这三种方法相比于国内，国外技术稍有滞后性，但随着我国的高速发展，技术水平已经完全可以国外相提并论，于此同时，我国的数值模拟技术则应用更加全面，广泛应用于我国的航空航天、汽车、船舶等工业领域。随着CAD、CAE技术的发展，我国的发动机领域也将迎来重大的发展机遇[6-7]。
1.2.1 国内研究现状
我国汽车行业的快速发展，带动活塞技术的更新换代，我国未来发展的主要方向是生产高功率、低油耗的柴油发动机，而发动机在工作时，活塞在气缸内往复运动，因此主要的方向是活塞的设计研究[8]。目前我国设计研发的活塞在运行的过程中存在一定的问题，在高温高压的工作条件下，活塞易出现磨损失效的现象。为解决这些问题，我国很早就开始进行数值模拟活塞的设计开发工作，该工作的重点是有限元模型的建立，有限元模型的质量直接影响着数值模拟的结果。有限元模型的分类可大致分为创建整个活塞的有限元模型、创建半个活塞的有限云模型以及创建四分之一的活塞有限云模型。马哲树[9]在对活塞进行模拟分析时就采用头部四分之一和裙部完整模型的研究方法，对模型进行有限元分析的同时要确定活塞的边界条件，随后施加载荷进行模拟。下图1.1所示是头部四分之一的有限元模型。