CAD/CAE技术在发动机活塞设计中的应用

黄鼎键 钟 勇 黄 键



CAD/CAE技术在发动机活塞设计中的应用

黄鼎键 钟 勇 黄 键

福建工程学院机电及自动化工程系

活塞是发动机中最为重要的部件之一。运用CAD/CAE技术建立某活塞有限元模型，以及相应的边界条件，在此基础上对机械负荷作用下的活塞进行三维有限元分析，得到了活塞的应力和变形情况，为活塞的结构改进及产品设计提供理论依据。

活塞；机械负荷；有限元法

活塞是发动机的关键零部件之一，它的工作情况直接关系到发动机的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到发动机的排放性能及经济性。本文以某汽车配件公司正开发的活塞为研究对象, 综合应用CAD/CAE技术对活塞进行强度有限元分析，以期得到活塞应力分布及变形量，为开发和改进活塞结构提供理论依据。

1　活塞实体模型和有限元模型的建立

1.1 三维实体模型建立及模型传输

根据活塞设计图纸，利用三维CAD建模软件UG3.0建立了满足工程分析要求的活塞三维实体模型如图1所示。

通过UG3.0与ANSYS10.0的专用模型传输接口，将所建立的活塞三维实体模型导入到ANSYS10.0中，如图2所示，为建立有限元模型做准备。

图1　活塞三维实体模型

图2　导入ANSYS后的活塞模型

1.2 单元类型

采用四面体实体单元SOLID92对活塞进行网格划分；SOLID92是一种10节点的四面体单元，其几何结构、节点位置和坐标系如图3所示；Solid92单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力强化、大变形、大应变的特性[1]。根据分析要求，主体单元尺寸大小为2 mm。

图3 SOLID92单元

1.3 活塞材料属性

在网格划分前，除了设置活塞的单元类型之外，还要定义活塞的材料属性，该活塞采用的是ZL109共晶铝合金，其材料的特性，如表1所示。

表1 活塞的材料属性

划分网格后，并对局部区域进行网格细化后，建立了活塞有限元模型如图4所示，共计90 352个节点，53 439个单元。

图4　活塞有限元模型

2　活塞有限元分析

本文以活塞标定转速5 000 r/m下，最大燃烧压力作用在活塞顶部的工况为典型分析工况；此工况下，活塞受到燃气压力、惯性力等机械负荷作用。

2.1 机械负荷边界条件

燃烧压力分别作用于活塞顶部、环岸、环槽各处，其中活塞顶部所受最大燃烧压力[2]，由公司提供的示功图可查得其值为5.4 MPa，第一环槽内侧的燃烧压力为3.8 MPa，第一环岸与第二环岸之间的燃烧压力为1.6 MPa，第二环槽内侧的燃烧压力为1.6 MPa。

活塞所受惯性力是往复惯性力，其方向与活塞加速度方向相反，在ANSYS中，惯性力是以加速度的作用于模型上的，所以只要求出活塞在这一时刻的运动加速度即可。活塞运动加速度为

2.2 位移边界条件

3　结果分析

数值计算结果如图5所示，活塞在最大燃烧压力作用时，顶部外侧受拉，内侧受压，活塞顶应力分布值基本呈对称分布。活塞裙部沿与销轴垂直方向向内侧变形，活塞销座外两侧随之略微向外变形。最大应力出现在加强筋与销座连接处，其值为81.927 MPa，最大变形量位于活塞裙最下端，其值为0.264 mm。

图5 活塞Von Mises应力图

4　结论

该活塞总体应力较低，其值为50~60 MPa之间，故该活塞结构基本符合设计要求。所承受的最大应力值为 81.927 MPa，出现在加强筋与销座连接处，没有超过最大拉压强度值，但接近拉压疲劳极限，所以该区域应予充分重视。

[1] 周宁.ANSYS机械工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[2] 陈家瑞.汽车构造:上册[M].北京:机械工业出版社,2005.

The Application of CAD/CAE Technology to Engine Piston Design

Huang Dingjian，Zhong Yong，Huang Jian

(Electromechanical and Automation Engineering Department，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China)

Piston is one of the most important components of an engine. A finite element model of a piston and the piston’s boundary conditions were constructed by using computer aided design (CAD)/computer aided engineering (CAE) technologies. A 3-D finite element analysis of the piston under mechanical loads was performed. The stress and deformation of the piston were obtained to enhance piston structure and product design.

piston; mechanical load; finite element method

福建省汽车电子与电驱动科研技术重点实验室开放基金项目（2010008），福建工程学院青年科研基金项目（GY-Z0895）。