摘 要

内燃机是当前世界上应用最为广泛的热动力装置，它主要是将燃料燃烧释放的化学能转化为机械能进行做功。经过了百余年的发展，内燃机领域的发展已经取得的了长足的进步。在当今的社会中，内燃机几乎成为了所有交通工具的核心动力源。

发动机是汽车的“心脏”，而活塞则是发动机的“中枢”。作为发动机最主要的受热零件之一，活塞长期工作在十分恶劣的环境之下，承受着高温，高负荷，高速度等条件，如此恶劣的工作环境，使得活塞成为汽油机零部件中比较常见的故障零件。而活塞的工作状况直接影响到发动机的性能、排放以及工作可靠性等指标。因此，要设计出可靠有效的活塞，必须对发动机进行详细的了解。

本文主要研究了110kW车用汽油机活塞结构设计及温度场分析，介绍了汽油机总体设计及热力过程计算，活塞结构设计与温度场分析，同时也说明了CATIA建模软件以及有限元软件ANSYS的主要技术特点及功能。对活塞进行三维建模，并导入有限元软件中进行温度场分析，温度场分析主要活塞的不同部位施加温度载荷进行分析。最终得出影响温度场分布的原因，并根据分析结果对活塞结构的后续改进优化提出合理的建议。

关键词：汽油机，活塞，温度场，有限元分析

Abstract

Internal combustion engine is the most widely used thermal power plant in the world at present,It mainly converts the chemical energy released by fuel combustion into mechanical energy to do work.After more than a hundred years of development,Great progress has been made in the field of internal combustion engines.In today's society,Internal combustion engines have become the core power source of almost all means of transportation.

The engine is the “heart” of the car,and the piston is the "center" of the engine.As one of the most important heated parts of the engine, the piston works in a very harsh environment for a long time, under the conditions of high temperature, high load, high speed and so on.This harsh working environment makes the piston a common faulty part of gasoline engine parts.And the working condition of piston directly affects the performance, emission and working reliability of the engine.Therefore, in order to design a reliable and effective piston, a detailed understanding of the engine must be carried out.

In this paper, the piston structure design and temperature field analysis of 110kw gasoline engine are studied.The overall design and thermodynamic process calculation, piston structure design and temperature field analysis of gasoline engine are introduced. At the same time, the main technical characteristics and functions of CATIA modeling software and finite element software ANSYS are also explained.The three-dimensional modeling of the piston is carried out, and the temperature field is analyzed by introducing the finite element software into the finite element software. The temperature field is analyzed by applying temperature load to different parts of the main piston.Finally, the reasons that affect the temperature field distribution are obtained, and according to the analysis results, the reasonable suggestions for the subsequent improvement and optimization of piston structure are put forward.

Keywords：Gasoline engine，Piston，Thermal Load，Finite element analysis

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 主要研究内容 3

1.4 预期目标 3

第2章 汽油机总体设计 4

2.1 发动机设计基本要求 4

2.2 汽油机总体结构参数的选用与设计 4

2.3 活塞设计概述 7

2.4 连杆设计概述 8

2.5 曲轴设计概述 8

2.6 本章小结 9

第3章 汽油机热力过程计算 10

3.1 热力循环基本理论 10

3.2 热力循环基本参数的确定 10

3.3 汽油机P-V图的绘制 10

3.4 汽油机P-V图的调整 12

3.5 汽油机P-V图向P-α图的转化 13

3.6 有效功和有效压力的求解 14

3.7 本章小结 15

第4章 汽油机活塞结构设计 16

4.1 活塞设计基本要求 16

4.2 活塞材料的选择 16

4.3 活塞主要尺寸的设计 17

4.4 活塞裙部及其侧表面形状的设计 18

4.5 活塞环岸的强度校核 20

4.6 本章小结 20

第5章 汽油机活塞模型的建立 21

5.1 CATIA软件简介 21

5.2 CATIA软件的功能特点 21

5.3 活塞三维模型 22

5.4 本章小结 24

第6章 活塞的温度场分析 25

6.1 ANSYS软件简介 25

6.2 ANSYS软件的主要技术特点及功能 25

6.3 热分析理论基础 26

6.4 活塞模型的导入 27

6.5 模型材料参数的确定与设置 28

6.6 网格划分 29

6.7 边界条件的确定 30

6.8 施加载荷与计算 32

6.9 结果分析与优化建议 34

6.10 本章小结 35

第7章 全文总结与展望 36

7.1 全文总结 36

7.2 展望 36

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景与目的及意义

一直以来内燃机行业的发展始终促进着汽车行业的发展，然而环境污染以及石油资源消耗的问题也由于汽车销量的增长而愈加严重。研究人员在对发动机进行设计的过程中往往最为关心的问题便是发动机的可靠性，而发动机的可靠性主要取决于发动机零部件的结构、材料、工艺及各零部件之间的匹配情况。发动机最重要的组成部分主要是汽缸盖、活塞、以及汽缸体，它们具有比较复杂的结构，并且它们的工作条件基本上是发动机零件工作条件中最为恶劣的。在发动机工作过程中，它们除了承受很大的机械负荷外，还存在非常高的热负荷。因此毫无疑问，在车辆节能技术以及环境保护技术的研究方面，内燃机的技术是否足够科学与先进将有着重大影响。

汽车的核心能源来源于内燃机，因此可以把内燃机看作为汽车的“心脏”，而在内燃机的所零件中活塞的作用尤其至关重要，所以通常把活塞看作为内燃机的“中枢”，内燃机的性能一直都受到活塞的设计水平以及制造水平的重大影响，活塞设计得是否科学合理，对于内燃机的排放性、可靠性、动力性以及经济性等等有着非常重要的影响，活塞的技术含量足够高，便可以使得它的平稳导向性、耐热性、耐磨性以及气密性得到有效的保证，并且可以使得内燃机的摩擦功损失在一定程度上降低，同时可以使内燃机的噪音、污染物排放以及润滑油的消耗得以减少。本次毕业设计，目的在于利用本科所学专业理论进行110kW车用汽油机活塞结构设计以及温度场分析，通过建模软件CATIA对活塞进行三维建模，再利用有限元软件ANSYS，对汽油机活塞进行温度场分析，并根据对温度场计算结果的分析，对活塞结构的后续改进优化提出合理的建议。本次设计的工作对发动机的可靠性、寿命、排放和经济性等诸多方面的提升以及发动机活塞设计和温度场分析的研究有一定的参考价值。

1.2 国内外研究现状

活塞在发动机的工作过程中始终承受着千变万化的热负荷以及机械负荷的影响，因此在对发动机活塞进行设计时，对于活塞所受热负荷和机械负荷的研究是不可避免的。

同济大学和浙江大学等高校多次进行了有关热负荷疲劳试验的研究，除此之外，一些国内的军工企业也一直在进行材料高温蠕变相关的研究，并且形成的理论体系在国内可以说是名列前茅，内燃机其他部件的研究成果一般不可以应用于内燃机活塞的相关研究，这主要是由于发动机活塞和其他部件的区别较大，不过在进行活塞的热疲劳研究时可以参考其他部件的研究方法^[1]。

刘新华和韩魁在20GZC柴油机研制过程中，研究了活塞热负荷的有限元分析方法，他们对确定温度场热边界条件的处理方法做了介绍，通过计算分析方式对活塞的热应力、温度场、热变形做了研究，并以最终结果肯定了有限元分析方法的实用与精确性，为活塞热负荷的有限元分析提供了借鉴^[2]。

吴昌华、刘玺明等人以16V240ZJ柴油机活塞为例，通过两段温度拟合法确定了活塞各位置的热边界条件，运用有限元分析软件计算得到活塞的稳态温度场，并将之作为热载荷，计算了热应力和热变形，从而使得该类型活塞的温度场在没有试验研究的条件下也可以进行计算分析^[3]。

华中科技大学刘志恩等人对LJ377MV汽油机活塞组-气缸套系统的瞬态传热过程进行了研究。此次研究利用建模软件建立了整体耦合的三维传热模型，通过直接耦合的有限元分析方法，获得了多部件之间更为真实的传热关系^[4]。

杨世寿等人对标定功率工况下活塞表面测量点的温度值进行了测量，确定了活塞各部位换热系数以及环境温度，利用有限元分析软件对该活塞的稳态温度场进行了计算分析^[5]。

中北大学的温剑武等人利用三维建模软件建立活塞的模型，并利用对称性将模型划分为一半，再导入HyperMesh软件中，进行网格划分，完成了活塞温度场的计算^[6]。

马建等人将PRO/E软件所建立活塞三维模型导入ANSYS有限分析软件中，计算分析了活塞温度场，并将温度场的计算结果输出为活塞的热应力及热变形，分析确定了活塞失效的主要位置，从而为活塞结构的优化改进提供了借鉴^[7]。

Hidehiko Kajiwaraa，Yukihiro Fujiokab，Tatsuya Suzukia，Hideo Negishi等人使用CFD工具计算了对活塞冷却有影响的冷却通道的换热系数^[8]。J.H. Ong利用有限元分析的结果预测了高速柴油机活塞的稳态温度分布^[9]。V. Esfahanian，A. Javaheri，M. Ghaffarpour等人计算了发动机活塞顶的传热。采用三种不同的计算方法计算热边界条件。比较了不同热边界条件处理的结果，并研究了它们对活塞热性能的影响^[10]。H.W. Wu，C.P. Chiu提出了一种用于实时运行发动机活塞温度分布预测的有限元传热模型。热边界条件在模型中有充分的规定，适用于各种操作^[11]。Shu Yao Long，Xing Cheng Kuai，Jun Chen等人采用三角形有限元和恒定边界元方法计算了柴油机活塞的温度场和热应力场^[12]。Ravindra Prasad提出了一种计算具有冷却油通道的半绝热柴油机活塞温度场的数值方法^[13]。Yuh-Yih Wu，Bo-Chiuan Chen，Feng-Chi Hsieh等人提出了一个使用斯坦顿数的传热模型^[14]。Avinash Kumar Agarwal研究时解决了一个中型柴油发动机活塞喷油冷却的数值模拟问题^[15]。

1.3 主要研究内容

本课题要求复习发动机设计相关知识理论，工程热力学相关知识理论，传热学相关知识理论，内燃机学相关知识理论，汽车构造相关知识理论，学习热能与动力机械基础相关知识理论，学习CATIA建模软件和有限元分析软件（ANSYS Workbench），熟练掌握其功能和使用方法，进行110kW车用汽油机活塞结构设计及温度场分析，完成汽油机相应的热力过程计算以及活塞结构参数的设计与计算，利用三维建模软件CATIA进行活塞结构设计并建立三维模型，运用有限元分析软件（ANSYS Workbench）对活塞零件进行温度场分析。

1.4 预期目标

通过此次毕业设计，期望达成以下目标：

1. 基于发动机设计理论、内燃机学和工程热力学理论，完成110kW车用汽油机总体设计以及热力过程计算。
2. 基于发动机设计理论及内燃机学，完成110kW车用汽油机活塞结构参数的设计与计算。
3. 熟练掌握CATIA建模软件的功能和使用方法，完成汽油机活塞结构设计并建立三维模型。
4. 熟练掌握有限元分析软件（ANSYS Workbench）的功能和使用方法，利用其完成活塞零件的温度场分析，并且结合分析结果对活塞结构后续的改进优化提出合理的建议。

第2章 汽油机总体设计

2.1 发动机设计基本要求

发动机作为一种动力装置可以把某一种形式的能量转化为机械能，它的主要作用是把液体或者气体燃料燃烧的化学能通过燃烧后转化为热能，再通过膨胀过程将热能转化为机械能从而对外输出动力。汽车发动机通常由曲柄连杆机构以及配气机构两大机构还有润滑、冷却、燃料供给、点火与起动五大系统组成。

发动机整体设计的基本要求如下：

1. 将“LASRE”即Light-weight Advanced Super Response Engine的设计思想作为基础，以求所设计的发动机可以达到轻量化、低油耗、高灵敏反应的要求，除此之外，在设计时还应尽量使得零件通用化。
2. 应使发动机的高度尽量降低，从而有利于使其便于安装在汽车上，进而可以使驾驶员的舒适性得以提高。

（3）应该确保所设计的发动机的经济性、耐久性以及可靠性可以变得更高。

2.2 汽油机总体结构参数的选用与设计

2.2.1 初始条件

初始条件如下表2.1所示：

表2.1 汽油机初始条件参数选择

2.2.2 冲程数的选择

借鉴市面上同类型的汽车发动机，本次设计选择发动机的冲程数为四冲程。

2.2.3 冷却方式

内燃机的冷却系统有风冷和水冷的区别，此次所设计的110kW车用汽油机主要是面向市场上普通的小型汽车，它的使用环境比较单一，并且冷却系统具有良好的冷却性能同时汽化潜热较大，通过水冷却方式可以使该发动机的冷却能力得到很好的保持。综合考虑到前述的因素，本次设计选择水冷却方式。

2.2.4 气缸数和气缸布置方式

发动机的气缸数和气缸布置方式对于发动机的结构尺寸和平稳性制造成本都相当大的影响。目前车用发动机四缸机使用的情况比较普遍，不过少数车型也有搭载六缸或者六缸以上的发动机。考虑到本次所设计发动机功率的要求以及当前排放限制的要求，选择四缸机进行设计。

超过六缸的发动机的气缸布置方式普遍采用直列式，直列式气缸布置方式不仅拥有相对成熟的制造工艺，而且具有相对较低的成本，同时使用维修也较方便，因此本次设计采用直列式气缸布置方式。

综上所述，选择110kW四冲程水冷直列式四缸汽油机作为本次设计的发动机类型。

2.2.5 基本结构参数

1、行程缸径比S/D的选择

现代汽车的行程缸径比的值S/D一般介于0.8至1.2之间，为此本次设计可初步选定行程缸径比为1.0。

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