汽车活塞

汽车发动机活塞受力有限元小咸菜 分析

汪奕帆;姚焕新

【摘要】作为发动机重要零部件的活塞，经常受到多种载荷的作用，对其进行强

度、结构和使用材料等分析有文盲英语 着非常重要的意义。本文通过对活塞受力分析，建模

与网络划分，选取最大压力工况下，进行载荷、边界条件以及预紧力的施加，利用

ansys的计算模块对模型进行计算，并通过ansys的后处理器将结果以应力分布云

图和位移变化云图的形式显示出来。并在此基础上对活塞进行结构、力学分析，找

到模型中所受应力最大节点的相关数据。根据结果分析，提出在结构和材料上的改

进方案，为活塞的结构分析与设计提供重要参考依据。%Asthecoreofthecar

engine,theperformanceofthequalitywilldirectlyaffecttheperformance

astheimportantpartsoftheengine,oftenbearvarious

loadeffect,sotheanalysisofthestrength,material,forgingprocessand

perfirstwetakea

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detailedmodelingandnetworkgmentationtothepiston,andlectth猴子的英文 e

maximumpressureconditions,toapplingtheloads,boundaryconditions

nsyscalculationmoduletocalculatethemodel,we

displayedtheresultsintheformofthestressdistributioncloudimages

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y,according

totheresults,weputforwardsomestructureandmaterialimprovement

eanimportantreferenceforthestructuralanalysisanddesi豆浆有蛋白质吗 gn

ofthepiston.

【期刊名称】《宁波工程学院学报》

【年(卷),期】2012(024)003

【总页数】4页(P59-62)

【关键词】发动机;活塞;有限元

【作者】汪奕帆;姚焕新

【作者单位】宁波工程学院,浙江宁波315800;宁波工程学院,浙江宁波315800

【正文语种】中文

【中图分类】TK441

引言

活塞是发动机的重要零部件之一，其设计质量直接关系到发动机性能的优劣。活塞

结构复杂，而且作为内燃机的主要受热零件，经受周期性交变的机械载荷和热载荷

的作用，常股市暴跌原因 在高温、高速、高负荷以及冷却困难的情况下工作，很容易产生故障。

因此，对内燃机进行热载荷和机械载荷的模拟计算以评估其可靠性，对于内燃机的

开发是非常重要的。[1]

1活塞三维建模以及求解

1.1活塞受力分析

本文选取活塞最大压力工况，将动力学问题转化为静力学问题来解决，此时，活塞

受到气体作用力，活塞组件的惯性力以及连杆的反作用力作用，本文中忽略其他力

作用，并将受力近似于垂直方向，活塞的受力如图1：

（1）气体作用力

由缸内燃气压力引起的作用在活塞上的总压力：

式中Pg——缸内绝对压力（一般在5～10MPa）；

D——气缸直径

（2）活塞组件的惯性力

图1活塞受力分析图

因为活塞组件中的所有零件包括活塞、活塞环、活塞销和活塞销卡环，均以活塞加

速度j作变速往复直线运动。所以可以将其惯性合起来一起计算：

Mp为整个活塞组件的总质量，j为活塞加速度。

（3）连杆的反作用力[4]

1.2创建有限元模型

利用ansys软件进行分析之前，必须对模型进行建模。一般情况下用UG或Pro/E

等的软件进行建模，因为ansys的建模功能没有前几款软件强大。本文在建模过

程中，对于连杆应力影响不大的一些过度圆角和润滑孔等进行了省略，杏鲍菇的营养价值 这并不影响

分析所要求的精度。这样既节省了计算时间，又减少了存储容量。同时，定义模型

的弹性模量、泊松比、密度等的材料属性并采用SOLID92实体单元，对活塞进行

网络划分，将其分成了34370个节点，19763个单元。如图2：

1.3约束条件和载荷的施加

由于活塞与活塞环都承受了燃气压力，但是活塞环的面积相对于活塞面的大小而言

相对较小，所以本文中认定为相等。本文选取表面燃气压力为6MPa，即可以计算

得到气体作用力、连杆的反作用力和活塞的惯性力。活塞的惯性力可以通过施加加

速度得以实现，活塞加速度j为20527（ms-2）.

1.4计算结果及分析

在载荷施加完成后，将模型进行计算。计算完成后，进入ansys后处理器查看计

算结果，便可以得到模型的应力分布云图3和位移变化云图4。

图2活塞模型网络划分图

图3活塞应力分布云图

图4活塞位移变化云图

从图中可知，最大应力出现在活塞销座的上表面，这与理论分析相符。由于活塞在

上止点附近向下运动时活塞销会发生弯曲变形，使活塞销座也发生变形，然而，由

于活塞销座的上表面刚度较大，阻止了活塞销座的变形，从而导致了活塞销座上表

面内侧边缘出现了局部应力集中。

根据ansys的列表功能可以得到应力、位移最大的节点数据：

表1最大压缩工况下最大应力节点数据关键点编号1003最大位移（mm）

0.145081最大等效应力（Mpa）书法的特点 461.187

最大应力出现在1003号的节点上，最大等效应力值为461.187MPa，最大位移量

为0.145081mm。

2活塞的优化设计

对于活塞的优化设计要求在尽量不改变其它零部件尺寸的情况下，进行重新设计。

所以只有改进活塞和活塞销材料，改变活塞受力较大的局部尺寸等几种方法比较理

想。[5]

2.1材料

表2活塞最大应力点的位移量随弹性模量变化表弹性模量（e5）1.051.522.53

3.5位移量（mm）0.1450810.0996230.0747170.0597740.049811

0.042695

图5活塞最大应力点的位移量随弹性模量变化图

表3活塞最大应力点的最大等效应力随活塞销座外径变化表活塞销座外径（cm）

8.59.510.511.512.5最大等效应力值（Mpa）843.836710.51461.187

417.59389.912

图6活塞最大应力点的最大等效应力随活塞销座外径变化图

根据之前的分析，活塞受力最大的位置也是节点位移最大的位置，减小此处的位移

量，对提高活塞的使用寿命有着巨大的作用。

为了要找出不同材料的活塞，在工作时产生的最大的位移变化规律，本文将活塞的

弹性模量从1.05e5增加到3.5e5进行计算，得到如下结果：

从图5、表2中可以明显的看到，活塞受力最大处的位移量随着活塞材料的弹性模

量的增加而减小了。由此可见在制作活塞时采用弹性模量较大的材料可以提高活塞

的使用寿命。

2.2结构改进

活塞销是个圆筒形的，所以可以通过加厚活塞销座的厚度来减小活塞上产生的最大

等效应力值。本文是通过增加活塞销座外径来实现的。经过ansys模拟实验得到

如下数据：

从图6、表3中可以明显的看到，活塞销座的厚度增加后活塞上产生的最大应力值

减少了。并且这种改动没有改变其他的零件尺寸，在工艺上的改动也比较方便，只

有在活塞的重量上略有增加，但是，这对于设计成本来说影响不大。改进后得到如

下图7：

图7活塞改进后图

从之前所分析的结果中可以看到，模拟分析的情况虽然有一些不够精确的地方，同

时在接触部分可能也有一些误差，但是总体的结果还是和实际的情况相近的。

在整个有限元分析过程中也可以看到还有很多的地方可以改进，使得结果更为精确，

如：网络划分时，模型划分的更加细致一些或者对于受到应力大的局部进行细化网

络等等，以便在今后的分析过程中，得出更加精确的分析结果。

3结论

本文在ansys中对于发动机的活塞进行了建模、有限元分析以及优化设计。得到

如下的结论：

本文采用了活塞准动态分析模型，将活塞的动力学问题转化为相应的静力学问题，

简化了模拟计算的过程的同时得出的结果也基本符合真实的理论形态。

在ansys中实现了建模、加载、求解、分析的完整分析过程。找到了活塞模型中

所受应力最大的节点的应力应变数据，并在此基础上对模型进行了结构和材料两方

面的优化分析。

在结构上，通过增加活塞销座的厚度来减少萝莉动漫图片 活塞上产生的最大应力值。在材料上，

则使用弹性模量较大的材料来减少活塞应力最大位置的位移变化，增加活塞的使用

寿命。

为今后的活塞结构设计分析提供了参考依据，缩短了模型设计、检验等的时间，降

低了零件设计生产的成本。

参考文献:

[1]刘显玉等.汽车发动机连杆的有限元分析[J].辽宁科技学院，2005.

[2]黄震，张继春等.基于有限元的活塞优化设计分析[J].昆明理工大学，2006.

[3]方丹.LJ276M电控汽油机连杆有限元分析及优化[D].武汉理工大学，2009.

[4]曾林.4V-105柴油机连杆有限元分析与优化设计[D].湖南大学，2007.

[5]黄荣辉.LJ465Q-2A汽油发动机连杆活塞结构有限元分析与增压强化设计[D].广

西大学，2009.