毕业设计（论文）-6L2027中速船用柴油机的活塞设计及ANSYS有限元分析.doc

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1、1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 概述概述 柴油机发展至今己有一百多年的历史，经过不断改进和提高，现在已经发 展到相当完善的程度。由于它的热效率高、适应性好和功率范围广，已经广泛 地应用于工业、农业、交通、运输业和国防建设事业中，对推动人类文明的发 展起到了极其重要的作用。自二十世纪四十年代起，船舶动力装置上就广泛使 用了柴油机。当前，在船舶动力中，柴油机仍占有主要地位。所有内河及沿海 中小型船舶都采用柴油机作为推进动力。在新建的远洋船舶中，有超过 90的 船舶使用柴油机作为动力。其中三万吨以下的船舶，绝大多数用柴油机作为主 机，就是大型船舶，由于近年来大型低速二冲程多机组动力装

2、置的使用以及四 冲程中速大功率的柴油机的发展、两级增压在大型低速二冲程柴油机及大功率 中速柴油机上的应用成功，使柴油机在大型船舶、大型油轮、高速集装箱上及 大型舰艇上开始应用，似有和汽轮机、燃气轮机以及核动力装置竞争的可能 1。 1.21.2 船用柴油机的现状和发展趋势船用柴油机的现状和发展趋势 1.2.11.2.1 国外柴油机的发展概况国外柴油机的发展概况 近年来，船用柴油机朝着提高功率、降低油耗、提高可靠性、降低磨损、 延长寿命、减少噪音及振动、降低重量和尺寸、易于维修保养、实行自动监控 等方面发展。自 1973 年世界石油价格飞涨以后，降低油耗已成为目前各柴油机 厂相互竞争的焦点。 (1

3、)在提高功率方面 由于增压技术的进步和工作过程的改善，单缸和单机功率不断提高。最大 功率已由二十多年前的 1100KW 提高至 3680KW。目前，最大单机功率已达 36899KW。功率的提高主要是不断提高平均有效压力 Pe 来实现的，四冲程柴油 机的 Pe 已达 2.6 MPa,二冲程柴油机的 Pe 可达 1.575 MPa。 （1） 在提高经济性方面 2 自石油危机以后，燃油价格暴涨，燃料费用大增。燃油费用占总营运费用 的百分比已从 2040上升到 4060，因而，降低燃油消耗，燃用劣质燃料， 寻找代用燃料已成为国外各柴油机制造公司竞争的主要手段。各公司为此进行 了大量试验研究工作，并获得

4、了很大进展。称霸世界低速柴油机市场的 MANBW 和 SULZER 公司，从 1977 年至 1982 年间，使低速二冲程柴油机的油耗 率下降了 27g/KWh，最低油耗率达到 160 g/KWh 的水平。船用中速柴油机 的油耗率也已经大幅度降低。法国的 PC2-6EF 和 PC4-2EF 机型的油耗率已达 170 g/KWh。他们的有效热效率 e=0.50.53，达到了相当高的水平。几种 典型柴油机燃油消耗率的变化趋势如图 1-1 和图 1-2 所示。 图 1-1 二冲程低速燃油耗率逐年下降的趋势 图 1-2 四冲程中速机燃油耗率逐年下降的趋 势 此外，近年来，劣质燃料重油（又称渣油）已被船

5、舶辅机或辅机作为主 要燃料加以采用。低速二冲程柴油机燃用重油的粘度已达 35006000 秒（雷氏 一号（100） 。四冲程中速柴油机可燃雷氏一号粘度为 15003500 秒的重油。 高速柴油机可燃用雷氏一号粘度为 200250 秒的重油.造船厂希望主机和辅机 采用同一种燃油。 （2） 提高可靠性，延长寿命，发展监控系统 随着平均有效压力 Pe 的提高，最高爆发压力已高达 15 MPa。零部件机械 负荷及热负荷增加，为了提高可靠性和使用寿命，降低热应力和机械应力，在 加强高温表面的冷却，改进材料、改进结构提高刚度等方面进行了大量工作， 并取得了进展。 3 大力发展电子监控系统。对柴油机性能参数

6、和工况变化的趋向进行瞬时分 析，以便选择最佳运转参数并及时发现和排除故障或不可靠因素，了解零部件 运行情况，通过测量和故障预兆的分析，确定更换零部件的期限。 此外，目前国内外普遍采用电子计算机进行辅助设计和结构强度试验研究 工作。无疑这对柴油机结构方案的优化以及按寿命要求进行最经济的设计都是 有效的手段。 现代柴油机的大修期（寿命）大大提高，高速大功率柴油机为 50006000h（小时） ，中速大功率柴油机一般为 30000h，个别的机型如 TM410 中速机可以和低速机相比，寿命为 72000100000h，相当于 1020 年。 在过去的二十多年中，各类柴油机都获得了很大的发展，单功率获得

7、了成 倍的增长。在这方面，废气涡轮增压起了决定性的作用。目前还在为进一步提 高平均有效压力而进行大量的研究工作。 1.31.3 课题的背景和意义课题的背景和意义 柴油机是一种将燃油的化学能转变成为机械功的动力机械。这种能量转换 是燃油在气缸中与空气充分混合进行燃烧，产生高温高压的工作气体，推动活 塞、连杆、曲轴，从而使燃油的化学能转变成机械功向外输出的 2。内燃机在 经历了一百多年的发展，虽然基本构造变化不大，但其性能和设计水平一直在 不断提高，其燃油经济性、升功率、紧凑性、制造成本、可靠性和使用寿命等 主要技术指标不断得到改善。 伴随着科技的飞速发展，各种新技术、新的研究成果(如:废气涡轮增

8、压技 术，电子控制燃油喷射技术，三元催化，分层充气，二次空气喷射，带有冷却 装置的 EGR 排气再循环技术等)应用到内燃机的设计过程中，加之全球环境保护 的需求和石油资源的危机，促使当今的内燃机向着高转速、高功率和低油耗、 低排放等方向发展。然而内燃机转速和功率的提高，必然会带来缸内燃气的爆 发压力和温度的提高。燃气爆发压力的增加，一方面使得活塞、缸体和缸盖承 受的机械负荷增大，导致活塞、缸体和缸盖因强度不足而产生破坏。另一方面 压力升高率过大，还会产生敲缸现象和增加内燃机的燃烧噪声。燃气温度的升 高，导致组成内燃机燃烧室的受热零件热负荷的增加，产生极大的热应力和热 变形;温度过高还会导致受热

9、零件材料的强度和硬度急剧下降，降低其可靠性和 4 使用寿命，更有甚者，还会直接导致受热零件烧蚀或熔化 3。 活塞作为柴油机最主要的受热零部件之一,由于受热面积大,散热条件差,因 而其承受很高的热负荷。活塞的工作环境十分严酷，一方面，要承受高压燃气 爆发压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性的机械负 荷作用，造成活塞不均匀的机械应力和变形，严重时还会使活塞销座从内侧开 始纵向开裂，第一环岸断裂等;另一方面，活塞顶面承受瞬变高温燃气的作用， 使活塞顶部乃至整个活塞的温度都很高，而且分布很不均匀，各部位温度梯度 大，造成活塞很大的热应力和热变形，严重时还会导致活塞顶面开裂，活塞与

10、缸套间的正常间隙遭到破坏，甚至活塞拉缸、抱死等。因此，在设计阶段对活 塞进行应力场、温度场和传热分析，了解活塞的热负荷状态和综合应力分布情 况，降低热负荷，改善热应力分布，提高其工作可靠性和改善排放具有重要意 义。进而对活塞进行改进，它可为研究活塞热应力和热变形的活塞优化设计提 供依据。 5 第二章第二章 软件介绍软件介绍 2.12.1 建模软件建模软件 本课题用 UG4.0 进行活塞的建模，UG 是由美国著名航空公司麦道开发的 CAD/CAM/CAE/PDM 应用系统, 它覆盖产品的整个开发过程, 包括概念设计、详 细设计、工程分析、模拟仿真以及制造等。作为一个优秀的世界领先的高端 CAX/

11、PDM 软件, UG 有许多先进的技术。它具有智能化的操作树; 实现曲面和实 体之间的互操作技术; 各模块之间的全相关技术等等; 还有一项在产品研制开 发过程中十分重要、应用十分广泛的技术参数化设计技术。UG 中的参数化设 计具有简单性、实用性、功能强大等特点, 还可以根据设计要求, 进行后参数 化设计等。 参数化设计代表了当今计算机辅助设计行业内的最新设计趋势，以成为三 维 CAD 的主流技术。参数化设计过程是指从功能分析到创建参数化模型的整个 过程。参数化建模时参数化模型设计的主要过程。建模时的关键问题就是如何 创建一个满足设计要求的参数化模型，所以在进行参数化建模时需要考虑多方 面的因素

12、：1.分析组成零部件几何形体的基本因素，以此各个元素之间的关系； 2.分析自由参数与那些元素有关，如何保证只有参数的自由变化；3.确定模型 主要特征及所有的辅助特征；4.利用表达式编辑器，按照自由参数对部分表达 式进行分析；5.确定特征创建顺序，并进行模型的创建；6.更改各个自由参数 的值，验证模型的变化是否合理。 参数化建模在 UG 中的应用：1.利用基本特征进行参数化设计，基本特征是指 系统提供的特征建模功能模块和自由曲面建模功能模块中的相关特征创建操作。 在进行参数化建模之前，首先要对模型进行形体分析，如果模型不能分解为基 本的几何元素或模型是通过布尔运算的方式组合成的，这样的模型就无法

13、通过 基本的特征进行参数化建模，在利用基本特征进行参数化建模时，只有长方体、 圆柱体、圆锥体、和球体等这些基本几何元素可以作为主特征。其他特征不能 6 作为主特征，只能与其产生依附或参考关系；2.利用草图进行参数化设计，草 图是与实体模型相关联的二维图形，它的方便之处在于草图平面可以进行尺寸 驱动，通过对草图对象上所添加约束方式或者约束值的修改可以改变设计参数， 进而改变对象特征。通过对草图上创建的截面曲线进行拉伸、旋转和扫描等操 作生成参数化实体模型，从而可以提取模型中的截面曲线的参数和拉伸等参数 来实现整个模型的尺寸驱动。在利用草图进行截面曲线的创建时，一般是按照 以下步骤进行：1.根据零

14、部件的设计图纸，在 UG 系统中确定工作平面以进行草 图绘制；2.利用草图功能创建相关的草图平面；3.利用草图曲线功能在草图平 面创建近似的曲线轮廓；4.利用草图的尺寸约束和几何约束功能对草图中各个 曲线的位置关系和尺寸关系进行相应的约束，是约束后的草图曲线形状与设计 图纸保持一致；5.退出草图功能，然后使用拉伸或扫掠等实体建模操作命令生 成相关联的模型特征；6.根据要求修改相关的草图约束，更新实体模型。 2.22.2 有限元分析有限元分析法法 有限单元法是在当今科学技术发展和工程分析中获得最广泛应用的数值计 算方法，它是用计算机把复杂的零件形体自动分割成有限个形状简单的单元， 然后逐个分析、

15、计算这些小单元体的变形，并按一定的关系求得零件的总变形。 由于它的通用性和有效性，理论基础牢靠，物理概念清晰，解决问题效率高， 能为工程师在设计阶段掌握产品性能、优化产品的结构，缩短设计试验周期， 使设计制造的产品具有较强的竞争力等优点，因而受到工程技术界的高度重视。 伴随着计算机科学和技术的快速发展，现己成为计算机辅助工程和数值仿真的 重要组成部分 4-8。有限单元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用， 例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长近而求得圆周率，但作 为一种方法而被提出，则是上个世纪中期的事。从应用数学的角度考虑，有限 元分析方法的基本思想可以追溯到 1943 年

16、，Courant 在求解 St.Venant 扭转问 题时，他首先尝试应用在一系列三角形区域上定义的分片连续函数和最小位能 原理相结合的方法求解。从那以后，不少应用数学家、物理学家和工程师分别 从不同角度对有限元法的离散理论、方法以及应用进行了研究。但有限元法的 实际应用是随着电子计算机的出现而开始的，现己经从结构工程强度分析计算 扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效 7 的数值分析方法。 有限元分析法的基本原理是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它的 核心思想是结构的离散化，即将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有 限个节点相互连接，单元看作是不可变形的

17、刚体，单元之间的力通过节点传递， 然后利用能量原理建立各单元矩阵:在输入材料特性、载荷和约束等边界条件后， 利用计算机进行物体变形、应力和温度场试验研究度场等物理特性的计算，最 后对计算结果进行分析，并以图像和数据的形式直观地显示出来。从数学角度 考虑，它是从变分原理出发通过分区描值把二次泛函能量积分的极值问题化为 一组多元线性方程来解，人们知道直接从一个微分方程推导出它的泛函常常是 很复杂的，有时甚至是不可能的，所以在求泛函时常借助于所研究问题的物理 特性，诸如金属切削机床这类机械产品的刚性问题属于小变形弹性问题，因而 弹性力学中最小位能原理提供了极大的方便。 2.32.3 有限元法分析问题

18、的一般模式有限元法分析问题的一般模式 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元分析方法的基本步骤是相同 的，只是具体公式推导和具体的求解方式不同。有限元法求解问题的基本步骤 通常为 4，10 第一步:问题及求解域的确定 根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步:求解域的离散化 将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的 离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小(网络越细)则离散域的近 似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离 散化是有限元法的核心技术之一。 第三步:确定状态变量及控制方法 一个具体的物理问题通常可以用一组包

19、含问题状态变量边界条件的微分方 程式表示，为适合有限元法求解，通常将微分方程转化为等价的泛函形式。 第四步:单元推导 对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合 理的单元坐标系，建立单元函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系， 8 从而形成单元矩阵。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元 形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步:总装求解 将单元总装形成离散域的总矩阵方程，反映对近似求解域的离散域的要求， 即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总

20、装是在相邻单元结点进行，状 态变量及其导数连续性尽可能建立在结点处。 第六步:联立方程组求解和结果解释 有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和 随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将 通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析方法可分成三个阶段，前处理、有限元求解和后处理。 前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分，施加边界条件、负荷条件和时 间变化情形等;求解是通过 ANSYS10.0 软件的求解器进行求解计算;后处理则是 采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。图 2-1 是运用有

21、限元分析法解决有限元问题的流程图 图 2-1 有限元分析问题流程图 9 2.4 本章小结本章小结 无论使用哪种方法进行参数化建模，在建模的过程中只能有一个主特征， 其他的特征都是依附于主特征，通过主特征基准点等进行定位，并与主特征保 持固定的位置关系。本文中的设计过程以利用草图进行参数化建模为基础，辅 以基本特征参数建模。在用 UG4.0 建模完成后，保存为 Parasolid 的文件，这 样就可以导入 ANSYS10.0 进行进一步的分析了。 第三章第三章 活塞基本设计和活塞建模活塞基本设计和活塞建模 3.13.1 概述概述 活塞组由活塞、活塞销、活塞环等零件组成，其主要作用是：组成燃烧室，

22、 承受燃气作用力，并把它传给连杆，密封气缸，防止燃气泄露及滑油窜入燃烧 室， 将活塞顶部接受的热量传给气缸壁，进而传给冷却介质；将连杆的侧压力传给 气缸壁。活塞组的工作条件： （1）机械负荷 活塞组受到气体压力P、往复惯性力Pj及侧压力Pn的周期性冲压力的作用。 目前，强化柴油机的最高爆发压力Pz已达140 kgf/cm 2，使活塞产生很大的机 械应力和变形。 （2）热负荷 活塞顶直接受到高温燃气周期性的加热，瞬时最高燃气温度达 18002600，铝活塞顶面温度高达350左右（图3-1） 。 10 图3-1 活塞的温度分布 活塞的热应力和热变形过大，温度超过300350时，铝活塞材料的强度 急

23、剧下降，第一道环槽温度超过180220时，易引起润滑油变质结胶，致使 活塞环卡死，活塞热负荷随气缸直径的加大及平均有效压力的提高而增压。热 负荷过高的活塞，必须采取冷却措施，将传给活塞的热量迅速散出，使活塞温 度降到容许的范围之内。活塞内的热流及散热比例见图3-2。 图3-2 活塞内热流和散热的百分比 （3）高速滑动，润滑不良 高速机的活塞平均速度Cm已高达13 m/s,瞬时最高速度为平均速度的1.51.6 倍。活塞速度的增高致使活塞组的摩擦损失增大，一般，活塞组的摩擦系数损 失约占发动机全部摩擦损失的50以上。摩擦剧烈，润滑条件又差，易使活塞 好活塞环加速磨损，以致失效。 11 3.23.2

24、 活塞的设计要求活塞的设计要求 (1)在保证强度和刚度、以及散热良好的前提下，应尽量降低活塞高度，减轻活 塞重量。 (2)保证密封性良好，并尽量减少摩擦损失。 (3)减少活塞顶部吸收的热量，已传给活塞的热量应迅速散掉，保证活塞温度不 超过允许极限，目前铝活塞莫些部位的温度不超过下列数值： 活塞顶 375 第一道环槽 180220 活塞顶内表面 250 震荡冷却油冷腔内测 220 活塞销座 180 (4)保证导向部分润滑可靠同时又需防止润滑油上窜，尽量降低润滑油消耗量。 (5)活塞裙部与气缸壁的接触面积要尽可能大，但又要防止活塞拉毛和卡死。 (6)活塞与气缸的配合间隙小，以减少对气缸的撞击和噪声

25、，以及使变工况适应 性好。 (7)抗拉缸性能好和易于制造，成本低 11。 3.33.3 活塞的基本设计活塞的基本设计 3.3.13.3.1 本文所需设计的柴油机性能参数本文所需设计的柴油机性能参数 6L20/27柴油机是四冲程、直列式、不可逆转、带废气涡轮增压器和增压空 气冷却器、直接喷射、水冷中速船用柴油机 缸径 200 mm 行程 270 mm 气缸数 6 T 压缩比 13.37 平均有效压力 1.415 MPa 额定转速 1000 r/min 最低稳定转速 370 r/min 12 额定功率 600 KW 活塞平均速度 9m/s 最高爆发压力 10 MPa 增压压力（表压） 0.18 M

26、Pa 各缸平均排气温度 53040 总排气温度（涡轮前） 580 旋转方向 顺时针（从飞轮端向发动机看） 发火顺序 1-3-5-6-4-2-1 燃油消耗率（船用工况、不带泵） 250 g/KWh 燃油消耗率 1.1 kg/h 重量（干重） 6600 kg 外形尺寸 294112662083（mm） 大气温度 27 大气压力 1000kPa 燃油低热值 42700kJ/kg 燃料平均重量成分 C=0.87 H=0.126 O=0.004 3.3.23.3.2 活塞的主要尺寸活塞的主要尺寸 活塞的主要结构尺寸（图3-3）可根据同类型发动机或统计数据选取。 图3-3 活塞的主要尺寸 （1）活塞高度H

27、 应在保证结构布置合理和所需的承压面积条件下尽量选择较小的活塞高度。 13 表3-1 活塞高度H与缸径D之比的范围 图3-4 中速柴油机的活塞高度 由表3-1和图3-4取 H/D=1.6 , 所以H=200*1.6=320mm （2）压缩高度 1 H 压缩高度H1决定活塞销的位置，在保证气环良好工作的条件下，宜缩短， 1 H 以力求降低整机的高度尺寸。 由文献11可得： 取 /D=0.85 , 所以=200*0.85=170mm 1 H 1 H （3）顶岸高度h 14 图3-5 中速柴油机的压缩高度 由图3-5取h/D=0.14,所以h=200*0.14=28mm （4）活塞环数目及排列 活塞

28、环数目及排列近代中速柴油机采用四道环，同时还须从活塞及活塞环 的结构上采取措施，以确保良好的密封性能和防窜油性能。 采用3道气环，1道油环。 排列方式为从活力岸往下是依次排列气环，接下来是油环。 （5）活塞环设计 1活塞环的高度h 文献1中列出了气环和油环的高度随气缸直径变化的曲线图，其中上限 值适用于二冲程柴油机和强载度高的柴油机，强载度较低或用球磨铸铁活塞环 的柴油机可以选用下限值。 第一道气环高度 4 mm 第二道气环高度 4 mm 第三道气环高度 4 mm 油环高度 8 mm 2径向厚度 T 由于柴油机的高速化和活塞环高的趋于减少，是活塞环的径向厚度趋于增 加。环高与径向厚度之比h/T

29、过小易引起平面挠曲和扭曲，上下侧面的平直度和 平行度难以保证，容易折断。图3-6表示径向厚度随气缸的直径的变化曲线图。 15 图3-6 活塞环的径向厚度随气缸直径的变化曲线 第一道径向厚度 8.6 mm 第二道径向厚度 8.6 mm 第三道径向厚度 8.6 mm 油环径向厚度 8.6 mm 3自由开口间隙 L L 越大，环的弹力越大，环的安装应力越小，易于装配，但工作应力增 大，且环的弹力从毛坯到成品有较大的衰减。 一般取 L=(2.53.5)T 取所有环的开口间隙为 30 mm （6）环槽尺寸 气环槽 (mm) 0 25 . 0 5 . 0)2( KDtDD 油环槽 (mm) 0 25 .

30、1 5 . 1)2( KDtDD 式中 D 活塞名义直径 t 活塞环的径向厚度 k 系数，铝活塞k=0.006， 环槽底部的过渡圆角一般为0.20.5mm 气环槽 (mm) 0 25 . 0 0 25 . 0 3 . 1835 . 0)20006 . 0 82(200 D 油环槽 (mm) 0 25 . 1 0 25 . 1 4 . 1845 . 1)20006 . 0 82(200 D 16 取气环槽=183.2mm，油环槽=184mm。 D D （7）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高度要大一些

31、。 1 h 由文献11可得： 取第一环岸 /D=0.07 , 所以 =0.07*200=14 mm 1 h 1 h 取其余环岸 ()/D=0.04 ，所以 =0.04*200=8 mm 2 h 3 h 2 h 3 h 所以 = +3*4+8=50 mm 5 H 1 h 2 h 3 h （8）活塞顶厚度 是根据活塞顶部应力、刚度及散热要求来决定的，小型高速柴油机的铝活塞， 如满足顶部有足够的传热截面，则顶部的机械强度一般也是足够的。热应力随 活塞顶厚度增加而增大，活塞顶厚度（特别是钢顶）只要厚到能承受燃气压力 即。的一般范围列于表3-2 表3-2 活塞顶厚度 取/D=0.12 ，所以 =0.12

32、*200=24 mm (9)裙部长度 2 H /D的一般取值范围为： 2 H 高速柴油机 0.650.88(参阅文献) 11 中速柴油机 1.01.1 上、下裙应有恰当的比例，上裙长度过小，易产生尖峰负荷，造成活塞 4 H 拉毛及擦伤。一般的比例如下 =（0.61.75）(参阅文献) 3 H 2 H 11 17 取/D=1.1 ，所以 =1.1*200=220 mm 2 H 2 H 因=H-=320-170=150 mm 3 H 1 H 而/=150/220=0.682（0.60.75） ，满足条件 3 H 2 H (10) 裙部厚度 g 铝活塞裙部最小壁厚一般为（0.030.06）D（文献1

33、1的图7-20） 。薄 壁裙部对减轻活塞重量有利，但又需要保证裙部有足够的刚性，可以根据需要 设置加强筋。 (11)活塞销直径d和销座间隔B 由文献11图7-23、表7-7和表7-8得 d/D=0.4, B/D=0.4 所以得 d=80 mm ， B=80 mm (12)活塞头部设计 活塞顶形状主要根据燃烧系统的要求进行设计，本活塞设计选择型燃烧 室。铝活塞的头部设计成导热良好的“热流型” ，即根据活塞的热流通路，采用 大圆弧过渡，以增加从顶部到裙部的传热截面，从而将头部热流迅速传出，使 活塞头部的温度的到降低。温度降低的同时有利于消除应力集中，这样即可提 高活塞的承载能力。 （13）活塞销设

34、计 活塞销受燃气压力和活塞组往复惯性力的交变冲击而产生弯曲变形和椭圆 变形，在相应与销座和连杆小头轴承边缘处承受剪切力，表面遭到强烈的磨损， 因此要求活塞销有一定的强度和刚度表面有很高的硬度，但芯部应坚韧。 为了提高活塞销的抗弯能力，增强刚度、减小变形，防止活塞销和销座的 局部边缘接触而引起活塞裙部裂纹、活塞变形、甚至活塞销卡死，增加活塞销 的外径是有利的。增大外径还能提高销座与连杆小头衬套的承载能力。但过大 的活塞销外径使活塞的高度和重量都增加，惯性力有较大的增长。 在结构上，活塞销外径的增大受到气缸直径和活塞销长度的限制，往往为 了保证销座和活塞销有足够的长度，外径不宜过大。 为了减轻活塞

35、组的重量，应尽量加大销的内孔直径；但当外径一定时，内 孔直径过大会降低销的强度和刚度。 18 活塞销的外径 d=(0.350.45)D=0.4*200=80 mm 活塞销的长度 l=(0.800.88)D=0.85*200=170 mm 活塞销内孔 =(0.40.6)d=3248=35 mm 0 d （14）活塞裙部及其侧表面形状的设计 活塞裙部及其侧表面形状的设计的关键，在于保证裙部有足够的贴合面积 和良好的润滑条件，以及保证发动机在不同工况下度具有最小的活塞间隙。 下裙结构一般为完整的筒形，近代柴油机力求结构紧凑，总是尽量缩短连 杆长度，但此时需要避免活塞裙部与曲轴平衡块或机体的主轴承座圈

36、相碰，所 以一般将裙部下端铣去两块，这种裙部 即避免干涉，又使活塞的重量减轻，并 不影响活塞的导向长度。 裙部实际情况下为椭圆，本设计中将其简化为圆形。 3.43.4 活塞组的建模活塞组的建模 激活软件：执行【开始】【所有程序】【NX4.0】命令即可进入 UGNX4.0 主界面。在主界面中建立一个新文件夹，系统进入集成环境入口模块。为了方 便建模，我们通过自行设定显示哪些工具条以及每个工具条中的哪些图标：单 击【工具】【自定义】 ，弹出自定义对话框在其中勾选与自己建模相适应的各 个模块。 图 3-7 选择建模模块的操作界面 进一步设置每个菜单选项下的子菜单，进入如上图界面后，单击所需设置 的菜

37、单选项，如【插入】【直接建模】 ，右击该选项弹出对话框，选择【添加 或移除】按钮，再在弹出的对话框中选择所需的工具： 19 图 3-8 选择所需的工具的操作界面 系统环境设置：选择【文件】【实用工具】【用户默认设置】按钮， 在弹出的【用户默认设置】对话框中设置系统的工作方式、主窗口大小、尺寸、 可见性、精度等参数。 图 3-9 系统环境设置 创建草图：选择【工具】【草图】命令或者单击【成型特征】工具条上 的图标，系统进入草图平面功能。 【创建草图平面】工具条将出现在绘图 20 区域的左上方。从工具条中可以看出，可以附着在坐标平面、基准平面、实体 平面上创建草图。选择一个坐标平面作为草图平面，指

38、定草图平面后在草图工 具栏中的文本框中输入草图名称，建立草图平面后，可以在草图 工作平面建立草图对象，选择【草图曲线】工具条中的图标 ，可以在草图平面中直接绘制和编辑草图曲线。 这些图标包括基本曲线、点、圆、矩形、倒圆角、椭圆、样条曲线和编辑曲线 等。 草图约束包括尺寸约束、几何约束、定位约束，草图的尺寸约束是限制草 图对象的大小。选择【工具】【创建约束】【尺寸】命令，利用该对话框 中提供的选项可以为草图添加尺寸约束，修改其尺寸参数数值来改变对象的大 小。 图 3-10 草图约束操作界面 几何约束是限制草图对象的形状，确定草图对象之间的相互位置关系。UG 提供了 3 种为草图对象添加几何约束方

39、式：1 手工创建约束，是指由用户对 选取的对象指定某种约束。2.自动判断创建约束，是在绘制草图对象时， 21 系统根据鼠标移动的位置自动地显示可能的集合约束符号，从而定义相应的几 何约束。定位约束是确定草图相对于实体边缘线或特征点的位置。 图 3-11 定位约束操作界面 在草图绘制过程中如何能够使所画的草图达到全约束是一个比较麻烦的事情， 简单的图形所需要的约束少，就可以很好的达到，这里我介绍一个在自己绘图 中的简单方法：简单图形时可以通过按照设计图纸大致勾画出相似 的模型，然后在根据图纸的要求分别进行相应的尺寸和定位约束，很快就能达 到全约束的要求；图形比较繁琐的时候，上面的方法就显得捉襟见

40、肘了，当你 画完大致的图形时，便会发现很难在达到全约束，此时，就需要你在绘图初期 时便要在每一步的时候一一达到全约束，这样的话，就不用等到最后的时候在 约束而约束不全了。根据上面的步骤绘制的活塞截面曲线图如图 3-12 所示； 接着通过旋转和拉伸并开销孔，参照设计图纸的各个细节部分分别处相应 的处理，如：面倒圆、倒角等，可得到活塞的基本模型； 图 3-12 活塞本体的草图 图 3-13 活塞本体模型 同样的建模处理方法绘制出活塞组其他的三维模型如图所示： 22 图 3-14 活塞销的模型 图 3-15 第一道气环的模型 图 3-16 第二（三）道气环的模型 图 3-17 油环的模型 3.53.

41、5 装配装配质量质量 装配就是在装配的过程中建立零件之间的配对关系。通过配对条件在零件 之间建立约束关系进而确定部件的位置。系统可以根据装配信息自动生成零件 的明细表，明细表的内容随着装配信息的变化而自动更新。用户在装配模型生 成后就可以建立爆炸图，并且可以将爆炸图引入到装配图中。 UG 中提供了 3 种装配方法建立模型：1.自底向上，顾名思义就是先建立好 装配所需的零件再进行装配；2.自顶向下，在装配上下文件的过程中建立新的 零件；3.混合装配，将上两种方法综合起来的装配方法。本文中选用第一种装 配方法。自底向上装配实际上就是真实装配的再现，首先设计好装配中的零部 件，再将部件添加到装配中，

42、装配的关键是部件的定位，UG 组中用的定位方法 有两种，即绝对坐标定位方式和配对定位方式。本为采用配对定位方式。 配对条件是指组件的装配关系，用于确定组件在装配中的位置。装配中两 个组件的位置关系为关联和非关联。关联关系实现了装配的参数关系，当一个 部件得位置变化时，其关联部件位置也将发生变化，进而保持相对位置不变。 装配结果如下： 23 图 3-16 活塞组的装配图 利用 UG 计算重量，在打过已经装配好的文件，设置材料性能后，分析得： 图 3-17 活塞组的质量 所以活塞组的总质量 m=45.89 Kg 3.63.6 本章小结本章小结 本章内容是本论文的关键部分，根据 6L20/27 柴油

43、机性能特点，严格按照 柴油机设计手册 ，进行该柴油机活塞组的设计，选定了活塞的结构型式、气 环、油环和活塞销的尺寸，在设计出活塞组尺寸的基础上，运用 UGNX 4.0 建 立活塞组的模型。在建立好活塞组的各个部件之后，再进行活塞组的装配，这 一部分是下章活塞有限元分析及强度校核的基础 24 第四章第四章 柴油机活塞强度计算柴油机活塞强度计算 4.14.1 材料特性材料特性 活塞形状为缩口圆型柴油机活塞，其材料硅铝合金，常温下弹性模量 E=7100MPa，泊松比=0.32，密度=2700kg/ ，导热系数=163 3 m ，热线性膨胀系数为=2.32/K，材料抗拉强度=268.2 K)W/(m2

44、 5 10 b MPa。 ，抗压强度=260.7 MPa。 c 4.24.2 柴油机热参数的计算柴油机热参数的计算 本计算工况取 600kW，1000r/min，Pk=0.18MPa （1） 流通能力系数 vs取 1.15 （2） 平均机械损失压力 Pm MPa CmPeDPm 1514 . 0 524 . 0 )9 2 . 10849 . 0 (087 . 0 2 . 0 524 . 0 )(087 . 0 25 . 0 4 1 （3） 机械效率 m（参阅文献，四冲程中速增压 m=0.85 11 0.92） 903 . 0 1514 . 0 415 . 1 415 . 1 PmPe Pe m

45、 （4） 环境条件：P0=100kPa，T0=27C 4.2.14.2.1 换气过程计算换气过程计算 （1） 充量系数 v 25 97 . 0 1000102710001021976 . 0 10271021976 . 0 296 296 nn v （2） 残余废气系数： r=0.01 （参阅文献P.3-15， r=0 0.01；或参阅文献 ，四冲程增 11 16 压 r=00.03） （3） 进气终了温度 Ta K TTTs Ta r rr 2 . 325 01. 01 84501. 020320 1 式中：有中冷增压柴油机，参照中冷器出口温度 取 Ts=320KKKTs328318)554

46、5(273 新鲜空气预热温度： T=20C 残余废气温度： Tr=845K （4） 进气终点压力 Pa（按文献） 11 MPaMPa Ts Ta PsPa rv 177 . 0 )01. 01 ( 320 2 .325 97 . 0 18 . 0 37.13 137.13 )1 ( 1 （四冲程增压 Pa=（0.901.0）Pk）983. 018. 0/177 . 0 /PsPa （5） 排气压力 Pr 四冲程增压: MPaMPa Pk 162 . 0 135 . 0 18 . 0 )90 . 0 75 . 0 ( )90 . 0 75 . 0 (Pr （6） 柴油机所需的总空气流量 Gk skgskg m in RTs PsVs G svk /941 . 0 / 430 10006 2 . 325287. 0 482. 818 . 0 15. 1 30 4.2.24.2.2 压缩过程计算压缩过程计算 （1） 平均多变指数 n1，忽略残余废气，可用下式估算： )1 ( 3143. 8 1 1 1 1 n av bT n 26 式中：