摘 要

Abstract 2

第1章 绪论 3

1.1 背景 3

1.2 研究现状 3

1.3 研究意义 4

第2章 活塞组的设计 5

2.1 内燃机活塞组的功能 5

2.2 活塞的工作环境及失效形式 5

2.2.1 活塞承受的机械负荷 5

2.2.2 活塞承受的热负荷 5

2.2.3 活塞承受的摩擦损耗 5

2.3 活塞的设计 6

2.3.1 活塞设计的基本要求 6

2.3.2发动机的参数 6

2.3.3 活塞参数的确定 6

2.4. 活塞环的设计 13

2.4.1.1 活塞环的类型 14

2.4.1.2 活塞环的尺寸 14

2.4.1.3 活塞环与环槽的间隙 15

第3章 活塞有限元分析与结构优化 16

3.1 有限元网络的设置 16

3.2 边界条件的确定 17

3.2.1 静力边界条件的确定 17

3.2.2 热边界条件的确定 18

3.3. 静力分析 19

3.4温度场分析 22

3.5优化设计与结果分析 23

3.5.1活塞设计优化 23

3.5.2优化后静力场分析 24

3.5.3优化后温度场分析 26

3.5.4 结果评价 27

第4章总结与展望 29

4.1 总结 29

4.2 展望 29

参考文献 31

致 谢 32

摘 要

本文结合柴油机活塞发展现状，针对某型号大功率柴油机，选用42CrMo材料，选择整体锻钢活塞构型，完成对其活塞的结构设计，同时完成了活塞对应的活塞环的设计。完成设计后，利用CATIA软件建立活塞的三维模型，并利用ANSYS软件对活塞应力场和温度场进行有限元分析，讨论活塞在高温环境、最大爆发压力工况和最大侧向力工况下的温度场、应力场情况，并对活塞结构设计进行优化。

活塞有限元静力场分析结果表明活塞在上述两种工况下出现的最大应力为159Mpa，最大变形为0.015mm，均满足要求。温度场分析结果表明，活塞整体温度范围在94℃-401℃之间，活塞顶部温过高，温差较大，且第一环槽温度高达266℃，不满足活塞正常工作要求。因此，本文采取减小火力岸高度，增大内冷却油道表面积等方法对活塞结构进行优化。

优化后的活塞有限元静力场分析表明优化后活塞在两种工况下出现的最大应力降为143Mpa，但最大变形增加为0.029mm。优化后温度场分析结果表明，活塞整体温度范围下降至95℃-353℃之间，第一环槽最高温度降为202℃，成功解决初始设计中存在的顶部温度过高，第一环槽温度过高，整体温差过大的问题。同时观察分析得活塞的温度变化呈非线性分布，与活塞实际工作情况向对应。

关键词：柴油机活塞；应力场；温度场；有限元；结构优化

Abstract

The main purpose of this thesis is to complete the structure design of the piston which is according to one type of high-power diesel engine, combining with the current situation of the development of diesel engine piston.The three-dimensional model of piston is established by using CATIA software, andthe simulation calculation of the piston temperature field and stress field is carried out by using ANSYS software of finite element analysis. It discussed the situation of the piston in the high temperature environment, the maximum explosion pressure and maximum lateral force under the action of temperature field, stress distribution and deformation condition

The results of static field analysis show that the maximal stress of the piston under the two working conditions is 159Mpa and the maximal deformation is 0.015mm, both of which meet the requirements.The results of temperature field analysis show that the overall temperature range of the piston is between 94℃ and 401℃, the maximal temperature of the piston is too high, the difference of temperature is large, and the temperature of the first ring groove is as high as 266℃, which does not meet the normal working requirements of the piston.Therefore, the structure of the piston is optimized by reducing the height of the firing bank and increasing the surface area of the internal cooling oil channel.

The static field analysis of the optimized piston shows that the maximal stress of the piston under the two working conditions after optimization drop down to 143Mpa but the maximal deformation elevate to 0.029mm, both of which meet the requirements.The results of temperature field analysis after optimization show that the overall temperature range of the piston drop down to 95℃ and 353℃, and the highest temperature of the first ring groove drop down to 202℃.The problems of high temperature at the top, high temperature at the first ring groove and large temperature difference in the initial design were successfully solved.At the same time, the temperature change of the piston is nonlinear, which corresponds to the actual working condition of the piston.

Keywords: Diesel piston; Stress field; Temperature field; Finite element analysis; Structure optimization

第1章 绪论

1.1 背景

活塞是发动机的重要零部件，活塞的可靠性与寿命更是直接影响了发动机的可靠性和寿命。活塞在缸套内进行往复运动,有相当严峻的工作环境。尤其在活塞头部，工作环境的温度最高，承受的燃气压力也最大。随着现代工业发展，柴油机的发展向着高增压高转速的方向进行，活塞需要承受的负荷越来越大，在材料与结构设计上的要求也越来越高，设计开发的困难程度持续提高。在活塞的研发设计环节中，传统的方法“经验加试验”，已不能满足发展需要，而有限元分析方法凭借节约大量时间与成本的优势，成为了活塞设计开发的主要手段。

1.2 研究现状

活塞结构设计方面的研究已十分详尽，盖少磊针对大功率柴油机活塞设计有详细阐述^[1]。当下活塞类型多为铝合金活塞，在这之中钢头铝裙的组合活塞最为普遍，董超对如何优化此类活塞结构做出了研究^[2]。按照目前发展趋势，活塞工况越来越严峻，锻钢活塞将接替铝活塞成为主流^[3]。