摘 要

随着发动机技术的高速发展和全球能源危机的日益严峻，如何提高发动机的升功率和最大爆发气压成了发动机设计的重点，而活塞作为一款发动机的核心部件，直接承受了最大爆发压力带来的冲击。为使发动机达到更高的机械效率和热效率，必须对传统的活塞进行优化设计。本文对某四缸汽油机的活塞进行设计和有限元分析，通过材料选择、头部设计、裙部设计、销座设计四个部分构建活塞的整体结构，然后基于ANSYS有限元分析软件对设计出来的活塞进行温度场和热应力分析。

首先根据汽油机的基本参数对活塞进行初步设计。采用过共晶硅铝合金作为活塞基体的材料；在满足强度要求的前提下尽可能降低活塞顶部厚度；活塞裙部横截面为变椭圆，该椭圆长轴垂直于销孔中心线；活塞裙部纵向线型选择中凸鼓形，并将中凸点设置在销座下方；将销孔中心设置在销座外缘中心下方3cm处。从设计上降低活塞在气缸内运动发出的噪音，降低漏气量，优化活塞性能。

其次，建立汽油机活塞传热分析的有限元模型。通过CATIA建模软件建立汽油机活塞的三维实体数模，并选择性地省去一些对计算结果影响不大的结构；通过ANASYS有限元分析软件的网格划分模块完成活塞三维实体数模的网格离散，基于第三类传热边界条件，根据相关文献提及的对流换热边界数值设置活塞的传热边界条件。

最后，对计算获得的温度场和热应力分布情况进行了分析。计算获得了活塞的最高表面温度251.79℃，出现在活塞燃烧室的屋脊，最低温度181.11℃出现在活塞裙的底部，整体上活塞温度从上到下逐渐降低。热应力最高值24.2MP出现在燃烧室底部，裙部以下热应力较小，均低于15MP，整体上热应力分布头部高于裙部，外表面高于内部。计算结果表明所设计的活塞满足热负荷要求。

关键词：铝合金活塞；有限元；热应力；温度场

Abstract

With the rapid development of engine technology and the increasingly severe global energy crisis, how to increase the engine's power rating and maximum explosion pressure has become the focus of designing an engine. The piston, as a soul component of an engine, directly withstands the impact caused by the maximum explosion pressure To achieve a higher level of engine efficiency and thermal efficiency, the traditional piston must be optimized. In this article, the design of the piston is divided into four parts: material selection, head design, skirt design, and pin design. Finally, the temperature field of the designed piston is analyzed based on ANSYS.

Firstly, the hypereutectic silicon aluminum alloy is used as the material of the piston base body; the thickness of the top of the piston is reduced so that the first ring groove is located below the top of the piston; and the variable ellipse whose major axis is perpendicular to the direction of the centerline of the pin hole is adopted as the cross section of the piston skirt; Select the convex drum shape in the longitudinal line type of the piston skirt, and set the middle convex point below the pin seat =; set the center of the pin hole 3 cm below the center of the outer edge of the pin seat. Overall, the noise generated by the movement of the piston in the cylinder is reduced. At the same time, the amount of air leakage is also reduced and the performance of the piston is optimized

Establishes a piston working analysis model for gasoline engines based on the second law of thermodynamics. Based on CATIA to establish a three-dimensional solid model for the piston of a gasoline engine, in order to facilitate the subsequent finite element analysis and calculation, some chamfers and the like are selectively omitted; meshing of the three-dimensional solid model of the piston is accomplished through the mesh module of the Workbench. The third type of boundary condition defines the piston; when comparing the results, it focuses on observing the overall temperature gradient distribution and the maximum and minimum temperature points.

Key words: Aluminum alloy piston; finite element; Thermal Stress; temperature field

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3软件介绍 2

1.3.1 CATIA软件 3

1.3.2 ANSYS软件 3

1.4本文的主要研究内容 3

第2章 活塞的初步设计 5

2.1活塞材料的选择 5

2.2活塞头部的设计 6

2.2.1活塞顶部 6

2.2.2环岸及环槽的确定 7

2.3活塞裙部的设计 7

2.3.1裙部横截面椭圆设计 8

2.3.2纵向型线设计 8

2.3.3活塞裙部和缸套的配合间隙 9

2.4活塞销座的设计 9

2.5本章小结 11

第3章 活塞的有限元分析 12

3.1三维实体模型的建立 12

3.2有限元模型的建立 14

3.3稳态温度场的数值分析 15

3.3.1活塞头部传热系数 15

3.3.2环带部分传热系数 15

3.3.3活塞销座部分的传热系数 16

3.3.4活塞裙部传热系数 16

3.3.5活塞内腔传热系数 16

3.4计算结果和分析 17

3.5本章小结 19

第4章 结论与展望 21

4.1结论 21

4.2展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1目的及意义

随着发动机技术的高速发展和全球能源危机的日益严峻，如何提高发动机的升功率和最大爆发气压成了发动机设计的重点，而活塞作为一款发动机的核心部件，直接承受了最大爆发压力带来的冲击。为使发动机达到更高的机械效率和热效率，必须对传统的活塞进行优化设计。

活塞与曲柄及连杆等部件形成曲柄连杆机构。在气缸压力的作用下，活塞销将活塞的往复运动转换为曲柄连杆机构的旋转运动。在这个转换过程中，活塞在气缸内的运动速度极大且不断的变化，其产生的惯性力给活塞造成了极大的机械负荷；与此同时，燃料燃烧将生成高温高压的气体，活塞表面直接暴露在这些气体中，导致活塞的温度变化以及活塞温度的不均匀分布，从而产生额外的热应力与热应变，热负荷的提高所带来的热应变和热应力导致活塞容易出现穿孔开裂等现象。为了尽可能的避免这些故障的发生，提高活塞强度成为了活塞制造的关键问题。

本文将对某型号的汽油机设计一款活塞,为保证其刚度和强度满足设计要求，对形状和壁厚进行合理设计，并通过有限元分析软件进行活塞的温度场和应力场的计算与分析，以验证其性能。

1.2国内外研究现状

目前国内外对于发动机活塞的设计主要包括活塞头部、活塞裙部、活塞销座以及活塞材料选择几个方面，大多还通过有限元软件对活塞的温度场应力场进行了数值仿真分析。

在活塞材料选择方面，目前总体趋势是从铝合金到钢-铝合金到钢合金。王凯等人^[1]针对4L132柴油机活塞材料选择进行分析，发现4L132柴油机活塞的材料应满足如下要求：重度小、导热系数大、线膨胀系数小、机械强度高、减磨性好、稳定性好、耐腐蚀性好、易于加工等。

在活塞头部设计方面，周娜等人分析了活塞的顶面和顶岸的受力散热情况，选择平顶不带加强筋的活塞顶；吴东兴等人^[2]主要提出了采用没有面积突变的圆滑过渡和避免过于尖锐的棱边两种想法以及采用有限元方法实现喉口结构的优化设计；赵世来等人^[3]在位于活塞头部油环岸的下沿与面窗交汇处，四处分别采用凹坑结构形式，主要是减轻质量，并且通过FEA进行分析，W=F.S，质量减轻后，能量损失也会减少，以此来实现头部轻量化设计。

在活塞裙部设计方面，张治国等人^[3]采用短裙结构，不仅减少了活塞本体的质量，而且还会降低活塞的惯性力；周娜等人通过分析活塞在工作状态下受机械变形和热变形影响所产生的裙部椭圆变形，选择单椭圆规律的裙部横截面设计以及中凸鼓形曲线的纵截面设计来解决内凹型；张春英等人^[4]补充了在裙部设计时，对于裙部表面纹理的研究。活塞裙部表面波纹形状直接影响活塞摩擦，随波纹的长度增加，活塞的接触摩擦快速增加，因此要在设计中适当减小波纹长度。

在活塞销座设计方面，曹志芬^[5]提出了一种活塞销座异型销孔的设计，可避免两端尖角应力集中，提高了销座的实际承载能力，同时采用下窄上宽的楔形销座，加大销座上侧与销的接触面积，提高销座承载能力；李波等人^[6]则在现有的销座处增加了1条小凹槽以此来储存机油从而改善其润滑效果，起到降低应力的作用；刘涛等人依据已有的参数确定活塞销座间距，根据销孔承载面积计算出销孔的比压，还采用了内外两侧双曲线的结构设计方案，进一步增强销孔部位的承压能力，提高销孔部分的可靠性。

在有限元分析方面，冯等人^[7]首先模拟了活塞的温度场并进行了柴油机多体动力学的分析，然后计算活塞的耦合应力；董等人^[8]模拟了活塞的稳态温度场，并计算热量作用下被固定的活塞底面的应力场；CERIT等人研^[9]究了涂层厚度对涂层温度和热应力分布的影响，并且也被用来模拟使用CCD涂覆的活塞中的温度分布；Lu等人^[10]采向传热方式来分析了一种4环船用柴油活塞发动机的传导热量数值。Esfahanian等人使^[11]用三种不同的燃烧边界条件来计算传递给发动机活塞的热量最大值。通过对不同燃烧侧边界条件的结果进行比较以及对热效应进行比较研究了活塞的行为；田永祥等人^[12]将活塞模拟为无内热源，边界为对流换热的模型，采用第三类边界条件，并结合实际温试和传热方程式的计算结果对活塞各部分的传热系数进行具体界定，从而获得活塞再稳态下的受热情况；赵振月^[13]在对活塞进行应力场有限元分析的时候，主要考虑了来自燃气燃烧的爆发压力、活塞的往复惯性力、活塞裙部的侧推力以及活塞销处的反作用力，并通过在销孔处设置YZ方向约束和在活塞内腔中心点处设置XZ方向约束来完成计算。

综上所述，设计一款汽油机活塞，应该保证其能够在高度高温高压等不良环境中正常工作。在具体进行头部、裙部、销座、选材等各部分设计的时候，应尽可能地考虑到轻量化和低噪音等需求。最后通过有限元分析软件对设计成果进行数值分析，检验成果是否合理。

1.3软件介绍

在对活塞进行有限元仿真分析的过程中，运用了两种软件ANSYS和CATIA。

1.3.1 CATIA软件

CATIA是索达飞机公司在70年代所开发的一款集CAD/CAE/CAM于一体的高档三维建模软件，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费 品行业，并以其强大的曲面设计功能在机械设计领域享有盛誉。CATIA涵盖了包括草图设计、装配设计、模块设计在内的100多个模块，提供了多样化的造型工具来满足使用者的要求。本文就主要采用草图设计和零件设计模块来完成建模任务。

1.3.2 ANSYS软件

ANSYS是一个集合众多模块的有限元分析平台。何谓有限元，即在对复杂的模型进行分析的时候，将它们分割成一个个不同形状大小的有限小块，并根据求解条件的不同设置出每个小块的作用方程，最后将这些作用方程的计算结果统合起来得到整个复杂模型的解，这就是有限元分析的思路。ANSYS分为经典操作界面和workbench两个操作界面，本文就是运用workbench界面对活塞的稳态温度场和热应力进行有限元分，这一分析过程包括了模型的建立与导入、网格的划分、边界条件的设置、求解这四个步骤。

1.4本文的主要研究内容

本文对1.5L汽油机进行活塞的设计，考虑活塞头部、活塞裙部以及活塞销等关键部位的工作特性，完成活塞的初步设计；借助实体造型软件完成活塞的三维实体建模；并应用Ansys有限元软件完成活塞的温度场和热应力的计算与分析。

（1）活塞结构参数的初步设计。设计活塞头部时需要考虑高温燃气直接作用的影响；设计裙部时需要考虑其与气缸套之间的摩擦碰撞；设计销座时需要考虑活塞销的反作用力。在对活塞各部分进行设计时，除了考虑其本身的作用外还需要考虑到发动机工作时产生的高温高压所导致的热变形和机械变形，从而设计出最为适合这种工作环境的活塞。

（2）活塞三维实体模型的建立。通过CATIA软件进行三维实体建模，为了有限元计算的方便，建模时忽略了一些对计算结果影响不大的结构，例如润滑油孔道。

（3）活塞温度场和热应力的三维有限元分析。运用ANSYS软件建立活塞的有限元分析模型，对设计的活塞进行温度场和热应力分析，以评估所设计活塞的机械性能。

在对活塞进行有限元分析的时候首先要对温度场的热分析以及应力场有基本的理论了解，然后通过CATIA建立活塞的简化模型，简化的目的是减少一些不必要的结构从而方便有限元分析的后续计算；然后通过查阅相关资料，计算出相应热边界条件和载荷边界条件，在ANASYS的Workbench模块中对热边界条件以及载荷边界条件进行设置，最后得到温度场和应力场；并通过对计算结果进行对比分析，观察是否符合实际工作情况。

第2章 活塞的初步设计

活塞设计主要可以分为活塞头部、活塞裙部、活塞销座三个部分。活塞头部在活塞工作时承受了最高的温度，因此在设计活塞头部时要充分考虑到其耐高温属性；活塞销座主要起到了传递运动和支撑活塞的作用，所以要考虑其刚度和韧性；活塞裙部主要起到导出热量的作用，所以在设计时应该尽量减少其热变形。此外需要考虑到活塞材料的选择，本章将对以上四个部分的设计分别进行阐述。

2.1活塞材料的选择

材料是决定一款活塞一切物理属性的物质基础，在选择活塞材料的时候要充分考虑到其对高温、高压、高负荷、高速工作环境所导致的热负荷和机械负荷的承受能力。同时，活塞材料对于导热系数、线膨胀系数、减摩性、稳定性、耐腐蚀性等属性也有一定的要求。活塞在气缸内运动的时候承受的机械负荷主要为往复惯性力和来自燃气燃烧的爆发压力，为了减少机械负荷从而提高活塞的使用寿命，在满足上述条件的情况下往往倾向于选择密度较小的材料。活塞材料密度越小，活塞质量也就越小，发动机震动、摩擦损失等也随之降低。

随着发动机技术的发展，其缸内压力和温度越来越高，与之相应的活塞材料也发生了变化，总的来看发展趋势从铝合金活塞到钢-铝合金活塞再到钢活塞。结构优化后的传统铝合金活塞最多也只能承受20MPa缸内爆发压力，而如今缸内爆发压力已经提高到25MPa^[10]，单纯从承载能力这方面来看钢活塞显得更为合适。但是活塞材料的选择要综合考虑各种因素，尽管钢活塞承载能力较强，其质量却远远高于铝合金活塞，所以本文选择铝合金作为活塞的材料。

现有的铝合金活塞材料主要为硅铝合金，但是一般的硅铝合金铸造的活塞容易发生活塞环槽和销孔的冲击变形。这种冲击变形主要是由高温条件下铝合金的强度和抗疲劳性能下降所导致的。查阅资料^[15]发现，存在一种高过共晶硅铝合金，其铝基体上均匀分布着众多单晶硅，形成了一个耐热的摩擦面，提高了材料的耐磨性。同时其对活塞工作所产生的摩擦有很好的相容性，与一般的共晶硅铝合金以及亚共晶硅铝合金相比，在高温下具有更高的强度和抗疲劳性能，因此本文选择过共晶硅铝合金作为活塞的材料。

图2.1活塞尺寸说明图

2.2活塞头部的设计

2.2.1活塞顶部

活塞头部主要可以分为顶部和与环带两个部分，活塞顶部与气缸盖组成了活塞燃烧最为重要的部分——燃烧室。典型的燃烧室主要有楔形燃烧室、浴盆型燃烧室、碗形燃烧室、半球形燃烧室这四种类型。楔形燃烧室在汽车发展初期被广泛使用，但混合气过于集中在火花塞，工作过于粗暴；浴盆形燃烧室通过增加宽度提高充量系数，但是却加大了火焰的传播时间，压力升高率较低；碗形燃烧室采用平底气缸盖，工艺性好，挤流效果好，但S/D与压缩比的比例比较难以掌控；半球形燃烧室结构紧凑，火花塞布置在中央，火焰传播距离最短，进排气门倾斜布置，充量系数大^[16]。本文采用半球形燃烧室，同时在燃烧室正中央布置两个火花塞，缩短火焰传播距离，从而提高发动机的性能。

活塞顶部的形状也主要是由燃烧室的形状确定，但同时考虑到活塞顶部是活塞中温度最高的一部分，为了改善活塞的散热状况，曾在活塞顶下面加肋来提高散热面积，并增加活塞顶的刚度。后来通过实践证明，加肋对于活塞顶的散热意义不大，而且肋条与活塞顶连接处在锻压时容易产生裂纹，因此选择不加肋做成光滑的内顶。

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