1．目的及意义

在当今社会，发动机以已经成为了汽车、飞机、电站以及农业生产机械中不可或缺的动力来源。发动机有汽车“心脏”之称，研究其动力性是了解发动机的基础，也是提高发动机能源利用率和效率的关键。而活塞是发动机中十分重要的运动件之一，其结构和所处的环境十分复杂。活塞直接与燃气接触，发动机循环工作时，高温的燃气使活塞顶部乃至整个活塞温度很高，且温度分布很不均匀，活塞在工作工程中受着热负荷和机械负荷的作用，产生的热应力和热变形可能导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸等现象，因此活塞的工作状况直接关系到整个柴油机的可靠性和耐久性。同时活塞裙部受着缸套的侧推力，再加上润滑条件不是很好，所以活塞很容易发生磨损问题，从而使活塞性能大大降低。正是由于如此恶劣的工作环境中容易出现问题，影响发动机的整体性能，所以对于活塞的研究是非常有必要的。对发动机热力学和动力性能的计算，可以直观的看到发动机中运动件的运动规律和各种作用力及其示意图等；而对于活塞的有限元研究，可以得到活塞的热应力、热变形的大小及分布。对于提高发动机动力性能和效率，改进活塞设计，降低研发成本，减少研发周期具有重要意义。

针对发动机活塞的有限元分析和研究，国内外学者做了大量工作。国内学者做的工作有：赵振月通过热分析理论，在Pro/E中建立活塞模型并利用ANSYS进行有限元分析，分析了计算热负荷和机械负荷在单独作用时以及耦合场中不同条件下的应力和变形，并且获得了合理的计算成果^[1]；苌转，赵云磊通过简化活塞模型，建立四分之一模型，并通过有限元分析活塞热负荷，并对其进行优化改进使其满足设计要求^[2]；孙庆荣，杨洋通过对活塞力学模型的分析，根据活塞的实际受力情况对活塞施加约束并对其进行有限元分析，完成了对活塞在机械负荷作用下的应力和变形分析^[3]；孙秀永，王虎，洪锦以某4105型柴油机为研究对象，在SolidWorks中建模然后利用第三类边界条件对其进行稳态温度场和热变形进行计算，求得活塞的温度场和热流密度分布情况^[4]；刘猛利用GT-power对柴油机的工作过程进行仿真模拟，对比分析了活塞的头部和裙部的热应力和机械应力^[5]；刘先一通过多体动力学仿真技术利用ADAMS对某4105型发动机的曲柄连杆机构进行动力学分析，并对连杆进行有限元分析其应力对其进行结构改进^[6]；陈刚，蓝宇翔，程婧对柴油机活塞进行建模分析，弄清其热应力和机械应力分布规律以改进活塞设计^[7]；杨永春，杨婷，石代龙，白书战，王桂华对钢顶和铝裙的组合式活塞在多工况下进行有限元分析校核其疲劳强度使其满足设计要求^[8]；王福洋，公维晶，李亮对活塞模型进行有限元分析得到温度场分布，再采用间接耦合法，将位移、力学、机械载荷及热载荷等加载到对应的结构上进行迭代计算并进行优化使其符合设计要求^[9]；施超，马成，李光明，汪江通过定义边界条件，施加约束、载荷、初始条件以及时间变化等，分析多种工况下柴油机的温度场从而改进活塞^[10]。

而对活塞的三维实体造型及有限元分析，国外学者也有大量研究：G.Siva Prasad , K.Dinesh Achari , E.Dileep Kumar Goud , M.Nagaraju ,K.Srikanth以两种不同材料的铝合金4032和铝硅合金钢4340制成的活塞为研究对象，通过有限元分析得到轻质材料可用于发动机的故障安全设计^[11]；V G Cioat#259;, I Kiss, V Alexa and S A Ra#539;iu对活塞作用于烟气和热负荷压力时使用有限元分析法快速得到了应力和变形^[12]；Dilip Kumar Sonar, Madhura Chattopadhyay对铝合金活塞对比分析热应力和机械负荷下的作用效果，发现活塞首先由于热负荷失效^[13]；PRAFUL R. SAKHARKAR，AVINASH M. WANKHADE对活塞建模进行热分析以提高活塞的质量，以承受高的热应力和结构应力，同时降低活塞上端的应力集中^[14]；Hitesh pandey , Avin Chandrakar , PM Bhagwat对不同材料的活塞进行热应力比较，介绍了网格优化的方法，得出结论由于铝合金具有高导热性，在与铸铁和结构钢作为活塞材料相同的工作条件下具有最小的热应力和机械变形^[15]。

{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

2.1设计的基本内容

此次研究围绕CD4108发动机，基于给定条件，查阅相关资料和参考文献，阐述了发动机的动力学和热力学计算过程，并对发动机的重要组件活塞进行三维建模，在图纸上画出对应的发动机活塞图，依据传热理论，导热理论，热传导的定解条件等理论，利用边界条件计算出温度场施加热负荷，利用约束条件计算出热应力施加机械负荷，然后导入ANSYS中进行有限元分析。本研究在充分假设的基础上，对现有复杂模型进行简化，对于活塞的倒角，导油槽，拔模斜度等可进行忽略简化，考虑顶部燃气压力，往复运动惯性力，裙部侧压力，销座支反力等因素对活塞热应力和热变形的影响。通过分析结果，能够合理设计活塞，提高发动机可靠性和耐久性。

2.2设计的目标

通过此次毕业设计，期望达成以下目标：

（1）使用CATIA得到活塞的三维模型；

（2）使用ANSYS workbench有限元法对所设计的活塞进行分析得到其应力应变分布，完成强度校核使其符合要求；

2.3拟采用的技术方案及措施