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1、集美大学本科毕业设计(论文)基于有限元方法的S195柴油机活塞设计摘要 本文针对将S195型柴油机的涡流室燃烧室改为直喷式燃烧室,对活塞的结构进行了改进设计。对改进后的发动机进行了热力计算和动力计算，将计算所求得的最高爆发压力和对应的加速度所产生的惯性力作为活塞最危险工作情况，利用有限元分析软件ANSYS对其进行机械应力分析，得出活塞应力云图和变形云图，根据分析结果，活塞的最大应力和最大位移并没有超出允许范围,本设计满足了改进后发动机的实际工况。 关键词 活塞；ANSYS；内燃机29The Design of Piston in S195 Diesel Engine Based on Fini
2、te Element MethodAbstract To satify the new condition of swirl chamber being changed into direct injection combustion chamber and improve the fuel economy , the structure of piston in S195 Diesel Engine was redesigned. The thermodynamic and power calculation were done .The combustion chanber and pis
3、ton ring etc were changed to adjust to the direct injection diesel engine. The maximum outbreak pressure obtained by calculation and the inertial force generated by the corresponding piston acceleration were recognized as the most dangerous working conditions, using ANSYS finite element analysis sof
4、tware for mechanical stress analysis , the piston stress and deformation cloud were obtained . According to the result of the analysis, the maximum stress and maximum displacement of the piston does not exceed the permissible range, the design can meet the actual engine operating conditions.Key word
5、s Piston ; ANSYS ; Internal Combustion Engine.目录引言.11.直喷式S195柴油机热力计算和动力计算.11.1 热力计算.21.1.1 原始参数及己知条件.21.1.2 选定参数.31.1.3 气缸工作过程计算.31.1.4 示功图绘制.61.2 动力计算.82 活塞主要尺寸设计及强度计算.112.1 活塞的工作条件、材料以及设计要求.112.2 主要尺寸设计.122.2.1 燃烧室尺寸.122.2.2 顶岸高度.132.2.3 活塞环.142.2.4 活塞顶厚度.152.2.5 裙部长度.152.2.6 销座设计.152.2.7 活塞强度计算.1
6、63. 活塞有限元分析.1831 三维实体建模.1832 有限元网格划分.1933 机械负荷分析.193.3.1 计算工况及载荷确定.193.3.2 载荷施加过程.203.3.3 有限元分析结果.23结束语 .26致谢.27参考文献.28引言柴油机广泛应用于现代农业，是现代农业生产所必需的动力机械，涉及农、林、牧、副、渔各部门及其产前、产中、产后各作业环节。柴油机在农业生产上的应用中，固定式柴油机直接驱动各作业机械进行作业，如用于发电、农副产品加工等固定作业；移动式柴油机构成拖拉机或各种自走式农业机械带动作业机械或工作部件进行作业，如用于耕整、播栽、中耕、喷雾、施肥、收获等田间移动作业，同时，
7、还承担着农田基本建设中的挖掘、推土、铲运、平整、开沟和农用运输等工作。而S195型柴油机是广大农村中使用最广泛的动力机械，它的设计是否合理，直接关系到广大农村用户的切身利益。然而，目前国内绝大部分农用S195柴油机均采用热效率较低、经济性较差的分隔式燃烧室，急待改进。针对原S195柴油机分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室的情况，本设计对原有活塞的结构进行改进设计，以便更好满足燃烧室改进后柴油机对燃烧室形状以及活塞工作条件的要求。活塞是内燃机的重要零部件之一，其结构和所处的工作环境十分复杂。在气体压力、往复惯性力等周期性载荷作用下，活塞产生很大的机械变形和机械应力。在灼热的燃气作用下，还产生很大的热变
8、形和热应力。热应力与机械应力迭加可导致活塞破坏，而热变形与机械变形迭加可导致拉缸。原S195柴油机分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室后，活塞所承受的最高燃烧压力和最高温度将增大，这有可能使原来的活塞结构强度不能与之相适应，产生的机械应力和热应力可能导致活塞破坏，活塞的工作寿命缩短。因此对活塞进行改进设计。本课题在原有活塞结构的基础上力图进行改进。首先计算分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室后的最高燃烧压力，再建立活塞的三维模型，将模型导入分析软件ANSYS后，分析其在最高燃烧压力下的应力、应变状态及危险部位，从而为活塞的结构设计、优化分析提供了充分的理论依据。1 直喷式S195柴油机热力计算和动力计算内燃机
9、工作过程计算是以理想的混合循环加热方式作为出发点，并假定其中的几个过程的始终点是以活塞上下死点为准，求出各特征点的状态参数，然后绘制出示功图并用整圆系数加以修正.计算应用较简单的关系式和利用一些经验数据来处理实际的复杂过程。实践证明，只要各过程中的主要参数能积累有较多的实验参考数据并选择得当，还是有一定的实用价值的。它还具有计算简单及便于掌握应用的优点。1柴油机工作过程估算在设计或研制一台柴油机时起到以下几个方面的作用：（1）通过估算可以初步了解与掌握各热力参数之间的内在联系，供柴油机在设计改进时进行分析和调整试验时作参考。（2）柴油机动力计算和强度计算均需用本估算获得的示功图作为基础。（3）
10、提供增压系统的设计参数如pk、Gk等或作为选配增压器参数时的依据。1.1热力计算1.1.1原始参数及己知条件(1) 冲程数 Z=4(2) 气缸直径 D=0.095 m(3) 活塞行程 S=0.115 m(4) 额定功率 Ne=8.82 kW(5) 额定转速 n=2000 r/min(6) 平均有效压力 Pe=0.65Mp(7) 活塞平均速度 Cm=7.67 m/s(8) 大气压力 P0=0.101Mp(9) 大气温度 T0=293 k(10) 柴油低热值 Hu=43995 kJ/kg1.1.2选定参数根据本机特点及柴油机一般参考资料选取参数如下：(1) 压缩比 =17(2) 剩余废气系数 r=
11、0.06(3) 缸内废气温度 Tr=1000 k(4) 进气温度 Ts=T0=293 k(5) 排气温度 Tt=600 k(6) 进气压力 pT0=0.101 Mp(7) 空气进入气缸后的温升 ta=12 k(8) Z点热利用率 z=0.75(9) b点热利用系数 b=0.03(10) 丰满系数 f=0.98(11) 有效油耗率 ge=0.248 kg/(kwh)(12) 进气管压力 ps=0.101 Mp(13) 进气终点压力 pa=0.0833 Mp(14) 最高爆发压力 pz=7.84 Mp(15)平均多变膨胀指数 n2=1.22其中剩余废气系数r的选取范围：0.03-0.06， ta选
12、取范围为；10-12K， 丰满系数f选取范围为；0.96-0.98，n2选取范围为；1.22-1.29;通过调整这么参数的范围，使最终得出的Ne与 pe与原始参数不超过1,这样选定了以上参数。1.1.3气缸工作过程计算 (1)充量系数 (1)(2)过量空气系数 (2)(3)平均机械损失压力 (3)(4)进气终点温度 Ta (4)(5)压缩终点压力pc (5)(6)平均压缩指数n1根据已求得的Ta和，查船用柴油机设计手册(三)中图3.1.2.12得n1=1.366(7)压缩终点温度 Tc (6)(8)气缸工作容积 Vh (7)(9)气缸压缩容积 Vc (8)(10)理论空气量L0 (9)(11)
13、实际空气量 L (10)(12)燃烧产物 M2 (11)(13)分子变更系数 0 (12)(14)燃烧前后实际分子变更系数 (13)(15)压缩终点定容摩尔比热 Cv1m (14)(16)燃烧终点燃烧产物平均定容摩尔比热 Cv2m (15)(17)压力升高比 (16)(18)定压燃烧终点温度 Tz (17)(19)初膨胀比 (18)(20)定容燃烧终点气缸容积 Vz (19)(21)后膨胀比 (20)(22)膨胀终点温度Tb (21)(23)膨胀终点压力 pb (22)(24)理论平均指示压力 pi (23)(25)平均指示压力 pi (24)(26)指示功率 Ni (25)(27)指示热效率
14、 i (26)(28)指示油耗率 gi (27)(29)平均有效压力 pe (28)(30)有效功率 Ne (29) 其中Z为气缸数(31)有效热效率 e (30)(32)有效油耗率 ge (31)1.1.4 示功图绘制（1）压缩线上任意点压力： (32)（2）膨胀线上任意点压力： (33)其中： (34) (35)根据以上公式及选定参数Pz可求出各曲轴转角的气缸压力如下表：表1 工作过程气体压力气缸压力（Mp)曲轴转角/()Pcx0.15-1000.23-800.41-600.89-402.26-203.38-10Pz7847Pbx6.62202.88401.44600.86800.5910
15、0 其中最高爆发压力Pz一般出现在上止点后7的位置。根据以上表格可画出S195柴油机示功图如下：图1 S195柴油机示功图1.2 动力计算连杆长度 l=0.21m曲柄半径 r=0.0575m曲柄半径与连杆长度比曲轴旋转角速度活塞平均速度 表2运动参数的计算曲轴转角(deg)活塞位移x(mm)活塞速度v(m/s)活塞加速度a(m/s)00.00000.00003212.8344101.11092.65513132.8683204.38855.17862899.1576309.67157.44922529.62374016.70489.36462052.07265025.159010.848915
16、01.34996034.653811.8571915.82987044.784712.3763333.63878055.149512.4237-210.95629065.371712.0428-690.587110075.119111.2960-1086.922811084.117010.2568-1391.678812092.15379.0016-1606.415513099.07967.6017-1741.1859140104.79996.1174-1812.2307150109.26434.5936-1839.0321续曲轴转角(deg)活塞位移x(mm)活塞速度v(m/s)活塞加速度a
17、(m/s)160112.45313.0592-1841.1112170114.36381.5274-1834.9828180115.00000.0000-1831.6536 图2活塞位移曲线 图3活塞速度曲线 图4活塞加速度曲线柴油机最大爆发压力发生在大约曲轴转角7，此时活塞加速度为3173.49m/s2。2活塞主要尺寸设计及强度计算2.1活塞的工作条件、材料以及设计要求活塞是内燃机的重要零部件之一，其结构和所处的工作环境十分复杂。在气体压力、往复惯性力等周期性载荷作用下，活塞产生很大的机械变形和机械应力。在灼热的燃气作用下，还产生很大的热变形和热应力。热应力与机械应力迭加可导致活塞破坏，而热
18、变形与机械变形迭加可导致拉缸，因此对活塞的材料有非常特别的要求。现代发动机的活塞多采用铝合金作材料。其主要优点是质量轻且导热性能好。活塞与活塞环相互摩擦，为使其工作性能达到最佳化，在选用原材料和工作面的涂覆材料方面，首先应考虑两者间的匹配性。如：活塞环端面进行化学钝化处理，则活塞应选用AEB5型共晶铝(5%的Cu含量)作材料，且对活塞环槽进行磷化处理。随着发动机功率的不断提高和活塞工作寿命的不断延长，普通的铝合金活塞难以满足要求，许多性能更好的新材料应用于活塞中。铝基复合材料的性能已达到使用的最好材料Ni-resist，铸铁的水平，而制成活塞和活塞环后质量大大减轻，与普通铝合金材料相比其高温强
19、度和抗热疲劳性能明显提高，并具有较低的线膨胀系数。可提高活塞使用寿命，降低油耗和废气排放量，提高发动机功率。日本丰田汽车公司的发动机已广泛采用这种材料，美国公司还研制出用以制作汽车发动机活塞的发泡石墨。这种材料具有比铝高4倍，比铜高5倍的传热系数，以及相对密度低、质量轻、制取成本不高等特点，既可减小质量40%(与金屑制材相比)，又可散热制冷，可有效地增加发动机输出功率，改进工作效率。本文所要分析的活塞的材料为ZL109共晶硅铝合金，在常温下，弹性模量为E=7.1 1010 Pa，泊松比=0.31，密度=2 700 kg/m3，材料的许用应力为b=260 M Pa;200时材料许用应力b=196
20、 MPa，材料线膨胀系数=19.8010-6/，导热系数=152W/(m)。2活塞组设计的要求:（1）重量轻且有足够的刚度各强度；（2）避免燃气通过活塞环窜入曲轴箱，并尽可能减少摩擦损失；（3）减少活塞顶从燃气吸收热量，并组织良好的冷却，将活塞所吸收的热量迅速地传出；（4）保证活塞组与气缸套之间有良好的润滑，但又要降低滑油耗量；（5）环与环槽、活塞销民轴承具有良好的耐磨性；（6）正确选择活塞与气缸套的配合间隙可防止活塞在上、下死点附近由于侧压力改变方向而产生活塞对缸套的撞击，从而也减小噪声和气缸套的穴蚀；（7）易于制造、成本低。32.2主要尺寸设计 图5燃烧室尺寸2.2.1燃烧室尺寸针对原S1
21、95柴油机分隔式燃烧室改为直喷式燃烧室的情况，将燃烧室形状改为能适应喷油形状的形燃烧室。根据喉口侧面角可将燃烧室分成开口型（90）、直口型（=90）及收口型（90）三种。收口型，dh较小，喉口热负荷高，为防止喉口开裂及便于制造，取=90。燃烧室主要结构尺寸是喉口直径dk及深度h，dk与h基本上决定了燃烧室的容积Vk。对性能影响较大的结构参数是相对容积比Vk/Vc（Vc为压缩容积）及喉口直径与气缸直径之比dk/D。Vk/Vc要尽可能大，一般Vk/Vc=0.750.85。因为直接喷射式发动机的混合气形成和燃烧主要在燃烧室内进行，而在余隙容积V（包括活塞顶间隙容积、气门凹坑、第一道活塞环上的狭缝容积
22、等）中的气体不能有效利用，所以应尽量减少余隙容积，使空气尽可能集中在燃烧室内，以改善空气利用率。而且Vk/Vc增加，使燃烧室的相对散热面积减小，挤流加强，有利于混合气形成和燃烧。4dk/D一般在0.450.65范围内，取0.65，即：dk=0.65D=62mmdk/h一般在2.53.5范围内，取3.5，即：h=dk/3.5=18mm在PRO/E中算出的燃烧室的体积Vk为42857mm3，而压缩体积为Vc为： (36)可得： (37)2.2.2顶岸高度顶岸高度即第一道活塞环槽到活塞顶的距离，h越小第一道环本身的热负荷也越高，在保证第一道活塞环的工作温度不超过允许极限（约180-220）的情况下，
23、尽量缩小h以力求降低活塞高度和重量。高速柴油机铝活塞h/D的范围一般为0.140.20，取h/D=0.147，即h=0.147D=14mm。2.2.3 活塞环 （1）活塞环数 对于高速机，气环一般为23环，油环一般为12环；为了降低活塞高度，减少活塞质量，将裙部的油环去掉，采用三道气环，一道油环结构。 （2）活塞环的选取 第一道气环采用气密性、磨合性能较好的桶面环，第二、三道环采用锥面反扭曲环，其接触线改变在环的下棱缘，刮油效果好，能有效控制机油。油环采用钢片组合油环，它具有刮油性能好，机油消耗量少，回油通路面积大、不易积炭、工作平稳、磨合性能好、缸套寿命长等优点。用一道钢片组合油环可替代二道
24、开槽油环。（3）环岸高度第一环岸（第一道气环下面的环岸）温度较高，承受的气体压力最大，又容易受环的冲击而断裂。所以第一环岸高度一般比其余环岸大一些。h1可按以下公式确定： (38) 式中：Z 环槽深度（mm） 许用应力（kgf/cm2）表3 环岸高度类别环岸高度与缸径之比第一环岸h1/D其余环岸h2(h3)/D铝活塞高速机高速大功率钢顶组合活塞0.040.080.040.060.0250.0350.030.0450.030.040.020.03 其余环岸取h2/D=h3/D=0.0368mm，即：h2=h3=0.0368D=3.5mm2.2.4活塞顶厚度 是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求决定
25、的，热应力随活塞顶高度增加而增大，活塞顶厚度只要厚到能承受燃气压力即可。其大小可按下列公式估算： (39) 式中； B 考虑燃烧室形状影响的系数，对平顶活塞B=1.4，对深坑形燃烧室活塞 B=1；2.2.5裙部长度高速柴油机的H2/D一般范围为0.650.88，暂取0.65，即 ：H2=0.65D=71.5mm上、下裙长应有恰当的比例，上裙长度H4过小，易产生尖峰负荷造成活塞拉毛及擦伤。一般的比例为H3=(0.60.75)H2，暂取0.7，即：H3=0.7H2=50mm 2.2.6销座设计 图6活塞销座尺寸选用钢性销座,销座内孔直径d =35mm, 销座长度lp=22mm(1)销座外径db=1
26、.41.6d,取1.4,即db=1.4d=50mm。(2)销座间隔b 销座间隔一般从下表先取表4销座间隔销座形式b/D普通销座035045阶梯销座b1/Db2/D0.250.350.350.55本设计的活塞的销座为普通销座, 选b/D=0.38, 即b =0.38D=36mm2.2.7活塞强度计算表5 活塞强度计算计算项目计算公式计算结果(kgf/cm2)许用值(kgf/cm2)活塞顶机械应力u104.5500第一环岸 弯曲应力w 剪切应力 总应力 237.36452620300400续计算项目计算公式计算结果(kgf/cm2)许用值(kgf/cm2)裙部比压q15.358符号说明pz 最高爆
27、发压力D1 活塞头部内径 活塞顶厚度D 缸径h1 第一环岸高度H2 裙部长度Pz 最高燃气作用力d 活塞销直径 销座的工作长度3.活塞有限元分析 有限元法在科技和工程领域得到了越来越广泛的应用，伴随着计算机科学技术的快速发展，这种数值方法的应用范围和领域必将被进一步拓宽。由于有限元法的通用性和有效性，使其在工程技术界受到高度重视，也让许多高等工科院校把它列为本科生和研究生的学位课或必修课。工程实践中的许多问题用单纯的数学理论是无法解决的，实际中普遍存在的形状复杂，边界条件及载荷条件也复杂的结构问题，单纯使用经典力学知识而不利用有限元法，计算分析起来会有困难。其次，在工程技术领域中有许多已知控制
28、方程和边界条件的力学问题或场问题，无法用我们所学知识求得解析的精确解。不过实际上发现许多问题无需非得知道解析的精确解，只需求出近似的数值解就可以了，而我们可以保留问题的复杂性，利用数值计算方法求得问题的近似数值解。随着电子计算机的飞速发展和广泛应用，人们已逐步倾向于采用数值方法求解复杂的工程实际问题，而有限元法就是一种十分有效的数值方法。ANSYS软件是一个非常成功的通用有限元分析软件，它融合了结构流体、电场、磁场、声场、热传导等领域及静力学、动力学及边界耦合问题分析于一体，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件（如Pro/ENGINEER、NUST
29、RAN、I-DEAS、AutoCAD）及机械仿真软件（如ADAMS）接口，实现数据的共享和交换，是现在的设计中的高级CAE工具之一。 5 31三维实体建模 柴油机活塞是一个复杂的三维零件，由于活塞销座的存在和内腔形状复杂，为了真实、客观地反映出活塞的实际工作状况，在对其进行有限元分析时，应取活塞整体作为三维有限元的分析模型。因此，用ProE软件建立活塞的三维实体模型。32有限元网格划分为了获得准确的计算结果，应合理选择有限元网格划分方案，这样既能保证计算精度，又不会耗时过多。一般来讲，单元划分越细，计算精度就越高。6随着计算机技术的不断进步，在一定的计算时间内，计算机处理的单元数大大增加了，对
30、于活塞这样形状复杂和温度变化剧烈的受热条件，完全可以把单元划得精细一些。本文采用20节点4面体单元solid95划分活塞网格，由于活塞形状复杂，因此采用自由网格划分设置smart size值为7，网格划分结果如图7所示。图7 活塞的网格划分3.3机械负荷分析3.3.1计算工况及载荷确定选取最大爆发压力工况作为计算工况，该工况曲轴转角大致在7附近7，连杆传给活塞的力只偏离y轴2，因此将只考虑y方向力的作用，即最大爆发压力、活塞往复惯性力和活塞销座分布力的作用。（1) 活塞顶所受的气体压力，其数值等于活塞的上部的燃气压力值减去曲轴箱内的气体压力.当采用简化受力分析时，活塞受到的环岸处的气体的压力由
31、于对称的要求可以忽略掉，其余的活塞部分受到的气体的压力时十分小，也可以忽略不计.因此活塞所受的力可以简化为顶部及火力岸的气体压力.（2)由于动力学计算时，活塞运动做功时活塞会有加速度产生，活塞质量的存在必然会引起活塞整体的往复惯性力，惯性力以活塞加速度的形式施加在整个模型上，活塞运动加速度在动力计算时已求得，为a=3173.49m/s2。（3) 活塞销处的受力为分布力，此分布力的大小为活塞顶部气体的压力与活塞的往复惯性力的差值，由于前面的两个力已经加载到有限元模型上，因此只要约束销座内孔上表面径向位移。 由于要选择的面是为两曲面的各一部分，无法直接加载，因此将约束加在对应面位置的相应节点上。（
32、4）为了防止活塞分析过程中发生绕活塞销座轴线的刚体转动，限制活塞轴线y上任一节点的x、z方向位移。3.3.2载荷施加过程（1）协调单位的转化 对于结构分析，这里的基本物理量有三个：长度、质量和时间，对于热问题，还应该加上温度，其他类型问题可能还有相应的基本物理量；其余物理量的单位必须由这些基本物理量的单位导出，而不能人为规定。基本物理学量的单位可以自由选择，其他物理量的单位则不能自由选择，需要按相应的计算公式来导出。8由于建模时采用的是mm的长度单位，所以将模型导入ANSYS后，采用kg-mm-s的协调单位制，与计算有关的物理量单位如下： 密度：kg/mm3,加速度a；mm/s2,力f：mN,
33、压强p、应力和弹性模量E均为：Kpa。（2）惯性力的加载惯性力通常以加速度的形式加载，具体过程如下：MainMenu solution - define load apply structural inertia gravity global 出现 apply(gravitational) acceleration对话框，在global Cartesian Y-comp 右边的方框中输入加速度值 -3.17e6。（e6表示106）（3）销座内孔上表面约束的施加过程1）建立局部坐标系按以下菜单点击： Workplane local coordinate systems create local
34、csspecified loc + ，出现 create cs at location 对话框，输入销座轴线y坐标0，90，0 点击OK，进入create local cs at specified location 在type of coordinate system后选择cylindrical 1,即柱坐标系，rotation about lacal y中输入90 ，点击OK，建立了位于销座轴线处的柱坐标系。2）相应节点的选择按下列菜单激活局部坐标系：workplane change active cs to specified coord弹出change active cs to spe
35、cified cs 对话框，在coordinate system number 中输入局部坐标系号11；点击select entities 弹出select entites对话框，在第一个框中选择areas,第二个框中选择 by location,X coordinates在Min,Max框中输入17.5接下来选择from full,点击apply后再点击plot，绘图框将显示相应的四个面；在select entities对话框中依次选择nodes 、attached to 、areas,all 、from full 点击apply和plot，此时绘图框中将显示相应面上的节点；在select
36、entities 对话框中顺序选择 nodes 、by location 、Y coordinates 在min,max方框中输入0，50 ，接下来选择unselect 最后单击apply 和plot,此时只显示销座内孔上表面上的所有节点；点击mainmenu preprocessor modeling move/modify rotate node cs to active cs 弹出rotate nodes into cs 对话框，选择pick all,这样就将所有节点的节点坐标系转向当前坐标系。3）销座内孔上表面约束点击 mainmenu solution define loads apply structural- displacement on nodes 出现apply U,ROT on nodes 对话框，点pick all,在出现的对话框中的