基于ANSYS Workbench的活塞静力学与热力学分析
基于ANSYS活塞有限元温度场的分析与研究
第一章绪论1.1内燃机活塞组有限元研究的背景和意义内燃机是目前世界上应用最广泛的热动力装置，它主要利用燃料燃烧释放出的热能产生有用的机械能做功。
经历了百余年的发展，内燃机领域己经取得了长足的进步。
在现今的社会中，几乎所有的交通工具均以内燃机做其核心的动力源。
回溯整个20世纪，内燃机技术的成熟推动了整个人类社会向前进步，其广泛的应用也造就了这个世纪的繁荣。
随着各种新技术的研究成果应用到发动机设计过程中，以及愈来愈严格的排放法规的现在，发动机正想着高转速，高功率和低油耗的方向发展。
功率的提高必然带来一些负面的影响。
如加重了活塞的热负荷，使得活塞的温度超过活塞材料所能承受的味道，大大降低了活塞磁疗的强度，严重时可能活塞会出现龟裂甚至烧损。
缸内爆发压力增加是活塞和缸体，缸盖承受的接卸符合增大。
可能导致活塞和缸体缸盖因强度不足而产生破坏。
此外压力升高率过大时，会产生敲缸现象，增加发动机的燃烧噪声，当提高发动机的转速以增大发动机的功率时，各个运动部件的惯性力也随着增加，使得活塞销和活塞销座的受力问题更为突出。
缸体对活塞的支撑力也增大。
于是发动机的噪声问题成为整车噪声中的主要问题【21】。
尽管转速的自己可以减少发动机的传热损失，但却同时造成发动机的NOx排放增加，在排放法规要求日益严格的今天，这一问题的得与失显得要慎重考虑。
不仅如此，还会造成摩擦损失的增加。
在满足发动机高功率设计的同时，必须要考虑发动机的温度和强度方面的要求。
发动机是一切动力装置的新章，而作为发动机关键部件的活塞又是重中之重，活塞热负荷和热强度问题的解决常常是提高征集技术水平的关键，直接影响内燃机工作可靠性和耐久性。
为了减少发动机的整机重量和提高功率，中小型柴油机几乎都采用铝合金作为材料，为了减少活塞的传热和热负荷，人们正尝试使用陶瓷作为活塞的材料。
有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。
由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。
Workbench有限元静力学分析.ppt
▪ 2)定义单元类型：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delet，出现Element Types列表框。单击Add出现 单元类型库对话框，左侧列表中选择Structural Shell，右侧列表 中选择Elastic 4node63，单击OK确定。
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.3 计算结果的后处理与分析
在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下
列出节点单元的支反力和反力矩
▪ Command: PRESOL, F(or M)
列出节点力和反力矩的和
▪ GUI: Main Menu>General Postproc>List Results>Eelement Solution ▪ GUI: Main Menu>General Postproc>Nodal Calcs>Total Force Sum ▪ Command: FSUM
2.2 结构线性静力分析基本步骤
2.2.3 计算结果的后处理与分析
在结构线性静力分析中，后处理常用命令如下
a. 查看结果
▪ 从数据文件中读取数据 ▪ GUI: Utility Menu>File>Resume from ▪ Command: Resume
▪ 读取选定的结果数据 ▪ GUI: Main Menu>General Postproc>Read Results>By Load Step ▪ Command: SET ▪ 使用SET命令可以用载荷步、子步或通过时间来选择数据读 取，如果数据文件中没有制定时间点上的数据结果，程序会 通过线性插值计算出该时间点上的结果
毕业论文：基于ANSYS的发动机活塞三维温度场计算(终稿)-精品
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章引言活塞作为发动机最主要的受热零件之一,它的工作情况直接关系到内燃机的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能，其性能的好坏直接影响整机的性能。
高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部乃至整个活塞温度很高，且温度分布很不均匀，导致活塞产生热应力和热变形。
随着内燃机在强化程度和热负荷水平上的大幅度提高，由于特殊工况，而导致的热负荷问题更加突出。
如何正确模拟内燃机的特殊工况，准确计算活塞的温度场是解决这个问题的关键。
如果得到其温度场,便可有目的地进行设计,减小热负荷。
有限元方法的基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。
因此，对活塞进行温度场、应力场以及热负荷和机械负荷共同作用的藕合应力场进行有限元分析，了解活塞的热负荷和综合应力分布情况，进而改进活塞，提高其工作可靠性具有重要意义。
本文利用Pro/Engineer软件的实体建模方法，建立了某汽油机活塞的三维实体模型，对其温度场在三维有限元软件ANSYS中进行了模拟分析。
1.1活塞热状态概述活塞是内燃机中处在非常不利的条件下的一个重要零件[1]。
活塞受高温燃气周期行的加热作用。
燃气的最高瞬时温度一般都高达1600 ~ 1800℃，燃气平均温度也高达600 ~ 800℃左右。
随着内燃机的平均有效压力和活塞平均速度的不断提高，就伴随着燃气最高温度和平均温度相应升高。
高温燃气与活塞顶面通过对流和辐射两种方式将热量传给活塞，从而使活塞组的热负荷显著提高。
评定活塞热状态首先是活塞顶的最高温度，一般活塞顶的最高温度高达300 ~ 350℃左右，随着汽缸直径增大则其最高温度更高，再加上大缸径活塞其壁较厚，则内外壁面的温差较大，从而使产生的热应力也较大。
概念建模_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共4页]
![概念建模_ANSYS Workbench有限元分析实例详解（静力学）_[共4页]](https://img.taocdn.com/s3/m/01c2fbe643323968001c920e.png)
3.2 概念建模
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图3-1-15 创建曲面映射面
3.2 概念建模
概念建模在DM 的Concept 菜单，主要用于创建、修改线体和面体，最终体现为梁和壳模型，如图3-2-1所示。
1．Line From Points （通过点建立线）
点选时需要按住Ctrl 键多选，同时Operation 处注意选择Add
Material 或者Add Frozen 。
前者表示添加的线体是统一的材料和
截面，后者则不然。
2．Lines Form Sketches （通过草绘建立线）
3．Lines From Edges （通过边建立线）
基于已有的2D 或3D 模型边界建立模型。
4．3D Curve （建立3D 曲线）
建立3D 曲线基于两种形式：①基于DM 里的点；②基于点云文件。
5．Split Edges （分割线体）
其中Fractional 为按比例分割；Split By Delta 为按距离分割（Sigema
为分割点距起点距
图3-2-1 Concept 菜单。
基于AnsysWorkbench的支架静力学分析
1静力学分析概述机械设备在工业及人们生产生活中的应用日益广泛[1]，支架不作为机构运动中的关键运动件，但起到支撑和传递力的作用[2]，其性能的下降往往容易被忽视，但却对机器的整体性能产生很大的影响。
如机器人的本体支撑架，或是驱动单元支撑架，由于长期受力导致的变形或局部缺陷往往会引发一系列的设备故障，因此对于支架的仿真分析非常必要。
本次研究采用基于有限元仿真分析的Ansys软件[3，4]，对不同形式的支架受力情况进行参数化研究。
基于有限元静力学分析的思路已相对成熟，其仿真结果具有较高的参考意义。
本次研究为对机械结构的设计、设备受力分析及故障诊断提供一定的依据。
仿真它是使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为它们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示的。
现如今随着我国的军事以及科学技术的突飞猛进的发展，仿真也越来越有受到重视，它已成为各种复杂系统研制工作的一种必不可少的手段，尤其是在航空航天领域，仿真技术也是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段，可以取得很高的经济效益。
在研制、鉴定和定型全过程都必须全面地应用先进的仿真技术。
否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。
2仿真分析方法对于支架的力学仿真分析，可以通过机械建模软件建立之间的三维模型，然后在AnsysWorkbench中基于有限元分析理论进行仿真分析和求解计算。
2.1机械建模软件Solidworks Solidworks创建了有限元分析所需的三维立体模型,其采用基于特征的建模方式，常见的特征包括拉伸，旋转，镜像，阵列及扫描放样等。
Solidwork用来机械建模有三大模块，可以绘制零件并且将零件装配，绘制相应的工程图[5]。
在零件建模中，通过特征的组合实现对特定结构尺寸的模型建立，在装配体模式中，通过不同的配合形式将零件体装配，配合的本质是限制相应零件的自由度，从而实现装配。
对非标零件进行加工生产时需要绘制工程图，Solidworks的工程图绘制模块可以直接生成各视角的视图并进行标注，对关键尺寸标注公差，并进行表面精度要求[6]和技术要求的书写，对于热处理形式，材料选择以及圆角处理等工艺要求均可在工程图中进行标注。
ANSYS热力学分析
《ANSYS热力学分析》环形焊缝冷却分析班级：学号：姓名：[实验目的]1、学习ANSYS软件进行分析操作的基本流程；了解软件的用户界面，各个菜单项的功能、操作等。
2、掌握使用ANSYS建模、加载及其热处理分析的基本方法。
3、掌握钢球淬火模型的温度载荷的设置，会使用通用后处理器进行载荷的运算，并得到模拟的最终结果。
[实验环境]ANSYS 10.0【求解步骤】一、基本设置1.选择“首选项”命令，弹出GUI过滤参数，勾选“结构分析”、“热分析”选项，单击OK按钮关闭该对话框。
2.选择“前处理——单元类型——添加/编辑/删除”命令，弹出Element Types对话框，3.单击Add按钮，弹出Library of Element Types对话框，在两个方框中依次选择Coupled Field、Vector Quad 13选项，单击OK按钮，关闭该对话框4.单击Options按钮，弹出PLANE13 element type options对话框，在Element degrees of freedom K1对应框中选择UX UY TEMP AZ，在Element behavior K3对应框中选择Axisymetric5.单击OK按钮，关闭该对话框。
单击close按钮，关闭Element Types对话框。
二、参数输入1.选择“前处理/材料属性/材料模型”命令，弹出Define Material Model Behavior对话框。
2.依次双击“structural/Linear/Elastic/Isotropic”按钮，弹出Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框，如下：3.单击Add Temperature按钮四次，在表格中填入数据如下：单击OK按钮，关闭该对话框。
4.在Define Material Model Behavior对话框中双击Density按钮，弹出Desnsity for Material Number 1对话框，在DENS对应框中输入7840单击OK按钮，关闭该对话框。
基于ANSYS Workbench的活塞机构多体动力学的三种运动分析
基于ANSYS Workbench的活塞机构多体动力学的三种运动分析王攀然;李俭;贺婷;饶雄;熊美玲【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2017(000)007【摘要】活塞是发动机的关键零部件之一,可以说是汽车发动机的心脏.它的工作状况直接影响到汽车能否正常使用.使用ANSYS Workbench分析软件可以对活塞机构进行多体动力学运动分析,可以准确找到活塞机构的形变量、危险应力与应力集中位置,减轻常规计算的工作量,对活塞机构的改进最有重要意义.文中着重介绍使用ANSYS Workbench对活塞机构的三种运动仿真分析.【总页数】3页(P51-53)【作者】王攀然;李俭;贺婷;饶雄;熊美玲【作者单位】成都大学机械工程学院,成都610106;成都大学机械工程学院,成都610106;成都大学药学与生物工程学院,成都610106;成都大学机械工程学院,成都610106;成都大学机械工程学院,成都610106【正文语种】中文【中图分类】TP391.7【相关文献】1.基于ANSYS Workbench的牛头刨床机构刚柔耦合动力学仿真分析 [J], 李勉;赵玉成;顿文涛;蔡镔;谷小青;马斌强;袁超2.基于ANSYS Workbench的固晶臂机构柔性动力学分析 [J], 全大鹏;李建勇;王恒;马丽梅3.基于Ansys Workbench柔体曲柄机构的动力学仿真研究 [J], 肖新华;李辉燕;4.基于Ansys Workbench柔体曲柄机构的动力学仿真研究 [J], 肖新华;李辉燕5.基于ANSYS Workbench的空投步履式挖掘机多腿步行式机构动力学分析 [J], 俞垚魏;王新晴;王东;邵发明;胡小东;李玉阳因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于ANSYS Workbench的某活塞发动机曲轴有限元模态分析
2018年6期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application引言曲轴是活塞发动机中非常关键的组成部分。
发动机工作原理是通过燃油燃烧推动活塞直线往复运动，再通过连杆推动曲轴使其做转动运动,曲轴连杆示意图如图1所示。
曲轴所承受的力有惯性力和燃气爆发力等，这些力都是呈周期性变化的，从而会引起曲轴振动，当振动频率与曲轴自身固有频率相同时，就会产生共振现象，使得曲轴容易发生疲劳破坏。
对曲轴的模态分析即为振动特性分析，为振动故障分析及结构动态特性的优化设计提供依据[1]。
本文通过Solidworks对曲轴进行了三维建模，然后建立了约束状态下的有限元模型，最后导入ANSYS Workbench 中进行了约束状态下的有限元模态分析，得出了约束状态下的频率和振型。
模态分析的意义是为了在工程中要避开这些频率来防止共振的发生，也为曲轴的瞬态动力学分析以及变负荷瞬态工况下曲轴的受力情况、应力与疲劳寿命预测提供一定的参考[2]。
1有限元模型的建立1.1建立曲轴的三维模型考虑到ANSYS系列软件建模的复杂性，本文利用Soli dworks对曲轴进行三维建模，为了降低网格划分的难度和提高分析效率，在建模过程中对模型进行了一定的简化，去掉了一些对分析没有太大影响的螺纹孔、键槽等特征，简化后的三维模型如图2所示。
图2曲轴的简化模型1.2有限元模型的建立根据设计资料，本文分析的曲轴所用材料为QT600-2，材料密度为7.12×103kg/m3，弹性模量为169GPa，泊松比为0.286，抗拉强度为600MPa，屈服强度为330MPa。
网格采用智能划分方法，类型为四面体网格，精度为中等，曲轴的有限元模型如图3所示。
基于ANSYS Workbench的某活塞发动机曲轴有限元模态分析付贵，郭湘川（中国民用航空飞行学院飞行技术学院，四川广汉618307）摘要：曲轴是活塞发动机非常关键的部分，曲轴的振动特性对发动机有很大的影响。
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基于ANSYS Workbench的活塞静力学与热力学分析
作者：宋飞
来源：《中国科技博览》2014年第25期
[摘要]汽车发动机是汽车整车的核心组成部分，发动机的好坏直接影响一辆汽车的各项使用性能。
而活塞又是汽车发动机的“心脏”，那么，研究活塞的受力与受热情况就显得十分重要。
本文通过运用三维设计软件CATIA建立活塞几何模型，利用大型有限元分析软件ANSYS Workbench对活塞顶部和整个活塞进行静力学和热力学分析，来模拟活塞在实际运转情况下所受的应力、应变等。
希望能为国产发动机活塞的优化设计提供一些参考。
[关键词]活塞 ANSYS Workbench 静力学热力学
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）25-0347-02
汽车活塞好比汽车发动机的中枢部位，在发动机启动时占了极其重要的地位。
近年来，随着客户对汽车整车发动机动力性、燃油经济性、操作稳定性等各项使用性能要求越来越高，发动机的转速、平均有效压力和活塞平均速度都较以往有了大幅度的提高，从而导致发动机的机械载荷和热负荷增加了许多。
因此，设计出一个高效、持久耐用的活塞，已成为当前发动机设计的重点。
一、建立活塞几何模型
活塞几何建模采用CATIA V5R19三维软件来实现，采用公制单位 mm。
活塞零件图的具体尺寸参数如图1所示。
图1 活塞零件图
通过对活塞零件图的分析计算，设计出活塞三维几何模型如图2所示。
为使ANSYS Workbench仿真数据更符合实际，将活塞装入虚拟气缸内。
在CATIA窗口界面通过右击特征树，修改虚拟气缸的属性，将其透明度设置为200，效果如图3所示。
二、活塞的受力和热传导分析
（一）文件导入
将装入虚拟气缸的活塞几何模型另存为stp格式，然后导入ANSYS Workbench中，得到在ANSYS中的几何模型，如图4所示。
采用的单位制为Metric（kg，mm，s，℃，A，N，V）。
（二）设置材料属性
本文活塞材料选用铝合金，虚拟气缸材料选用灰铸铁。
在Outline of Schematic A2：Engineering Data窗口中，单击 Material 前面的“+”，分别选中Aluminum Alloy、Gray Cast Iron，在弹出的Properties of Outline Row 3：Aluminum Alloy和Properties of Outline Row 4：Gray Cast Iron窗口中，修改材料密度、弹性模量、泊松比。
它们的物理参数分别取为：材料密度；弹性模量=71Gpa，130Gpa；泊松比=0.28。
（三）活塞网格划分
双击主界面项目管理区项目A中的Model项，进入Mechanical界面。
由于计算机硬件配置的不同，本文先将虚拟气缸隐藏，网格划分采用三角形网格划分，在Mechanical界面左侧Outline中的选中Mesh选项，此时可在Details of “mesh”中修改网格参数，本文将Sizing中的Element Size设置为1mm，其余采用默认设置，最终网格效果如图5所示。
（四）施加固定约束
为使仿真数据更贴近实际情况，对活塞加载固定约束。
约束位置为活塞孔的两个内圆柱面。
在Mechanical界面中右击Static Structural选项，在弹出的工具条中选择Fixed Support命令，选中Fixed Support，选择需要施加固定约束的两个内圆柱面，单击参数列表中Geometry 选项下的Apply按钮，最后效果如图6所示。
（五）加载、求解计算
1、静力学仿真结果
在Mechanical界面中右击Static Structural选项，在弹出的工具条中选择Force命令，此时在分析树中出现Force选项，选中Force，在参数列表中将活塞顶部加载载荷大小为5000N的面力，方向垂直向下，在分析树中，右击Static Structural （A5）在弹出的快捷菜单中选择Solve命令，完成求解，结果如图7所示。
2、结果后处理
在分析树中右击Solution选项，在弹出的工具栏中选择Stress中Equivalent（von-mises）命令，此时在分析树中出现Equivalent Stress（等效应力）选项。
同样方法，设置Equivalent Elastic Strain（等效应变）、Total Deformation（总变形）。
右击Solution选中Equivalent All Results命令，完成求解。
得到活塞总变形云图、等效应力云图、等效应变云图，如图8、图9、图10所示。
ANSYS Workbench软件求解结果图中颜色越深，表示应力和应变量越大。
从图中得出在接触点附近，由于受到的载荷较大，活塞销与活塞孔接触点位置应力和应变最为明显。
3、装入虚拟气缸的活塞热传导分析
活塞模型、材料设置、网格划分等都运用上面的结果，如图11所示。
通常标定工况的平均有效压力超过1.034 N/mm2，活塞就需要冷却。
本文将周围环境温度设定为22℃，气缸缸体温度设定为80℃，活塞顶部温度设定为900℃，经过求解计算，得出活塞模型的热传导云图如图12所示。
三、结论
活塞受面载荷的最大变形发生在活塞顶部中心位置，值为0.00769mm；活塞的最大应力发生在活塞销与活塞孔配合后接触面的顶部，值为34.252 Mpa；经查相关资料得知，铝合金活塞的最大许用应力在350至480 Mpa之间，而本活塞此时的最大应力为34.252 Mpa，小于最大许用应力，因此活塞顶部能够承受5000N的面力；活塞的最大应变发生在活塞销与活塞孔配合后，接触面的顶部，值为0.00048mm，在允许变形量范围内；活塞的最高温度发生在环槽中，值为1455℃。
将这些得出的数据，运用到实际设计工作以及生产中，对改善国产轿车的质量，具有一定的指导作用。
参考文献
[1] 张冲.基于ansys workbench 的叠片式吊钩热力学分析[J].质量技术监督研究，2012（4）：40-43.
[2] 赵葵，刘海岷，雷海胜，等.基于ansys workbench的蜗杆斜齿轮静力学仿真[J].武汉工业学院学报，2012，31（1）：28-31.
[3] 丁仁亮.CATIA V5基础教程[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4] 黄志新，刘成柱.Ansysworkbench14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013.
作者简介
宋飞（1985-），男，汉族，江苏连云港人，实验师，硕士，研究方向：汽车现代设计制造技术。