发动机活塞组有限元分析
活塞组部件是发动机中最为重要的部件之一。在整个工作过程中，它既要承受燃气燃烧瞬时变换的高温热负荷，又要承受在上下运动过程中外界所施加的机械负荷。热负荷是引起活塞顶部烧蚀和热裂的主要因素，而交变机械载荷则容易导致在活塞销座处产生裂纹。
本文依托山东滨州渤海活塞股份有限公司，对某铝合金活塞组进行了交变载荷作用下的机械疲劳试验，并用有限元方法对疲劳试验进行了仿真计算。具体工作如下：
1、以某铝合金活塞组为研究对象，在活塞销座机械疲劳试验机上，对其进行了交变机械载荷作用下的疲劳试验。基于疲劳失效理论，对试验后的活塞销座疲劳断裂的原因及特征进行了详细的研究。
2、采用PRO/ENGINEERING软件，按照实际几何关系以及研究分析的主次性，对实体模型做了合理的假设，由此建立了活塞组三维实体模型。
3、基于有限元理论，在ANSYS软件中划分网格，施加边界条件，建立了分析模型。考虑到活塞与活塞销的材料性能，建立了线性弹塑性模型，并采用牛顿—拉普森平衡法(N-R法)对其求解。采用瞬态动力学分析完全法中的隐式算法(Newmark法)分析了交变载荷作用下活塞组的动态响应，确定了活塞销座内侧上端为应力集中部位。基于弹塑性理论，对应力集中部位的动力响应曲线进行分析，得出此部位的等效应力已经超过了材料的屈服强度，产生了较大的塑性应变。随着塑性应变的积累，必将在此部位造成疲劳裂纹源。
4、采用耦合接触的方式，建立接触对，模拟活塞与活塞销间的作用形式，并用拉格朗日乘子法对等效接触应力进行求解。依据接触理论，对接触状态以及接触应力响应曲线进行了分析。交变载荷的作用，造成了接触界面的相对滑动，在接触界面上端形成了接触应力集中，过大的接触应力、等效应力以及接触摩擦应力的存在，加剧了活塞销座疲劳失效的发生。
5、将有限元仿真结果与疲劳试验失效特征进行比较，验证了分析的可行性和准确性，为活塞与活塞销的进一步改进提供了理论依据。
活塞;有限元;机械疲劳试验;发动机;热负荷;机械负荷
山东理工大学
硕士
固体力学
王延遐
2006
中文
TK413.33;O242.21;TK403
71
2006-09-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）