摘要:活塞作为发动机动力单元的主要组成部分,在动力传输中处于关键核心位置。其结构强度,理论相对疲劳寿命直接影响发动机整体的寿命,对其进行有限元分析与结构优化有着十分重要的现实意义。在以往的有限元分析中,大多只对单个活塞进行有限元分析,而并没有考虑整个动力单元之间的相互影响,本文运用Altair HyperWorks的强大前处理软件HyperMesh建立了活塞,活塞销,连杆整体模型,并对其进行了热固耦合分析以及疲劳寿命分析,采用 HyperView对分析结果进行可视化处理。在此基础上,运用Morph对结构进行了合理的优化,取得了良好的结果。
关键词:Altair HyperWorks,发动机,活塞,结构优化,疲劳寿命
1引言
发动机动力单元主要包括缸套,活塞,活塞环,活塞销,连杆等零件,如图1所示。活塞作为动力单元的关键零部件,工作环境恶劣,受载复杂,其失效将会导致整个发动机系统的失效。因此,本文以内燃机活塞作为研究对象,对其进行结构强度分析具有十分重要的现实意义。在活塞温度计算过程中,充分利用试验分析数据,计算出了活塞的准确温度分布。在此基础上,将活塞所受的热应力与机械应力相结合,得到了准确的活塞应力分布。在疲劳分析的基础上,运用Altair HyperWorks的Morph工具进行了结构优化。在分析计算过程中,HyperWorks作为一款先进的计算机辅助分析软件,在设计研发中发挥了重要的作用。 (图片) 本文拟采用图 2 所示的有限元分析流程。(图片) 2 动力单元(PCU)的有限元分析
2.1 有限元分析模型的建立
为了得到高质量的网格,有必要对模型进行一些几何清理。本文以HyperMesh作为有限元分析前处理软件,对导入的模型进行几何处理。如图3所示为导入时的模型,进行几何清理之后的几何模型如图4所示。(图片) 几何清理之后,需要对模型进行网格划分。有限元网格的划分一方面要考虑对各模型几何形状的准确描述,另一方面也要考虑变形梯度的准确描述。划分网格时必须考虑以下原则:网格数量,网格密度,良好的单元形状,良好的剖分过渡性,网格剖分的自适应性。基于以上原则,本文建立了活塞-活塞销-连杆系统有限元分析模型,采用精度比较高的四面体十节点单元,建立的网格模型如图5所示(图片) 2.2 活塞温度场分析
分析活塞的实际运行情况以及现在发动机的试验手段,想要得到热分析的第一类热边界条件或者是第二类热边界条件,即使是在已知活塞的边界温度或热流也几乎不可能的,所以本文采用第三类热边界条件分析活塞的温度场,定义了活塞表面与高温燃气和冷却介质之间的对流换热系数、高温燃气以及冷却介质的平均温度。经加载计算,得到活塞的温度场分布,如图6所示,活塞的最高温度为272°C。(图片) 2.3 热固耦合分析
活塞在做功行程中,不仅在其顶部受到高温燃气的压力,还受到汽缸壁对活塞的侧推力、连杆的作用力、惯性力以及与活塞销之间的摩擦作用,工作状况非常恶劣。活塞承受的燃气压力与惯性力是周期性变化的,因此,活塞的不同部位受到交变的拉伸、压缩或者弯曲载荷。并且由于活塞各部分的温度及其不均匀,活塞内部产生一定的热应力,所以要求活塞的质量小,热膨胀系数小,导热性小,和耐磨性小。本文中的活塞采用MAHLE公司性能良好的M142铝合金材料。对活塞结构进行有限元分析时,充分考虑了活塞复杂受力情况,如图7所示。(图片) 在活塞应力计算过程中,考虑了活塞销孔形线与外圆形线的影响,同时将温度计算结果与机械应力计算结果相耦合,为疲劳寿命分析打下基础。如图8所示为所计算的活塞在运行过程中所受的最大平均应力和应力幅值。(图片) 3 疲劳寿命分析
本文采用工程中广泛应用的疲劳分析理论Miner 线性累积损伤理论对活塞结构进行疲劳寿命评估,计算的疲劳寿命如图9所示。活塞的最小相对寿命为0.6。低于MAHLE公司的相对疲劳寿命标准2.5。(图片)
图 9 活塞的寿命分布 4 优化分析
Morph是HyperMesh中用于直接改变模型网格的模块。允许通过有效、合理、可视化的方式改变网格模型,在确保网格质量最优化的前提下实现以下功能:(1) 通过改变零部件网格来改变该零部件几何形状;(2) 参数化的改变零部件网格模型尺寸;(3) 把现有模型网格投影到新的几何形面上;(4) 为形状优化分析创建形状变量。基于Morph网格优化功能,对活塞结构进行优化,燃烧室顶面厚度增加了1 mm。如图10所示为Morph优化之前的网格模型,图11所示为优化之后的结构。(图片) 采用与优化活塞结构之前想同的边界条件,计算得出的最大平均应力与应力幅值如图12所示。(图片) 疲劳寿命分布如图13所示。最小寿命为4.6。满足MAHLE公司的相对疲劳寿命标准2.5。(图片) 5 结论
本文成功应用HyperWorks相关软件对发动机动力单元进行有限元分析,在此基础上应用HyperWorks强大的优化工具Morph对活塞进行结构优化,取得了理想的优化结果。HyperWorks作为一款先进的计算机辅助分析软件,在设计研发中是一个非常有效的工具。
8/19/2013
|