基于ANSYS的活塞数值模拟研究.docx

基于ANSYS的活塞数值模拟研究
基于ANSYS的活塞数值模拟研究
摘要：本文使用ANSYS软件对某一型号发动机的活塞进行数值模拟，探究了不同负荷及转速下活塞受力状况和位移变化情况，并考虑了活塞材料的影响。结果表明，在较高转速和负荷条件下，活塞的最大应力和最大位移较大，建议选择更加耐磨的高强度材料。
关键词：ANSYS，数值模拟，活塞，应力，位移，材料
1.引言
活塞作为发动机的重要组件之一，在发动机运行过程中承受着高温和高压的环境以及巨大的工作负荷。因此，对活塞的材料和结构设计上严格要求。通过数值模拟可以对活塞在不同工况下的应力分布、变形情况等方面进行分析，为其材料和结构的优化提供理论基础。本文将采用ANSYS软件对某一型号发动机的活塞进行数值模拟研究。
2.模型建立
2.1活塞几何模型建立
活塞几何模型采用三维CAD建模软件SolidWorks进行建模。采用标准的直径x行程比为0.5的活塞尺寸，活塞直径为85mm，活塞轴向行程为50mm。活塞顶部设置了四个小孔，用于喷油降温。
2.2活塞材料参数
根据活塞的工作环境，本文选择了一种高强度铝合金材料6061-T651，其材料参数如下表所示：
表1铝合金6061-T651材料参数表
3.边界条件和约束条件
通过对发动机工作过程的分析，我们可以确定活塞受到的力和运动状态。在数值模拟中，需要将这些工作条件转化为实际的边界条件和约束条件。
3.1受到的力
根据发动机的工作特点，活塞所受到的主要力有机械力（F_m）、惯性力（F_i）和液压力（F_h）等。在数值模拟中，我们可以对这些力进行简化处理，分成沿x、y和z三个方向的力，如下表所示：
表2活塞受力情况表
3.2约束条件
活塞底部通过销轴连接到曲轴，因此需要在数值模拟中设置活塞底部的约束条件。为了模拟真实环境，我们将活塞底部锁定在x、y和z三个方向上。
4.数值模拟计算结果与分析
基于以上模型建立的条件，我们利用ANSYS软件进行了活塞数值模拟计算，并得到了活塞在不同工况下的应力分布和位移情况。
4.1不同负荷下的活塞应力分布
在负荷为300N和500N时，活塞顶部应力分布情况如图1所示。可以看出，活塞的最大应力出现在小孔附近，且随着负荷的增加，活塞的最大应力也逐渐增加。这是由于负荷的增加导致了活塞的变形，进而引起应力集中。
图1活塞顶部应力分布
4.2不同转速下的活塞变形情况
在转速为2000r/min和3000r/min时，活塞变形情况如图2所示。可以发现，在高转速下，活塞的最大位移较大，这是由于高转速带来了更大的惯性力和液压力，进而导致了活塞的运动状态的改变。
图2活塞变形情况
4.3材料对活塞应力的影响
为了探究材料的影响，我们分别采用了6061-T6铝合金和7075-T6铝合金进行比较。图3是在负荷为500N和转速为3000r/min时，不同材料的活塞应力分布图。可以看出，采用更加高强度铝合金7075-T6可以显著降低活塞的最大应力。
图3不同材料活塞应力分布图
5.结论
本文使用ANSYS软件对某一型号发动机的活塞进行数值模拟研究，结果表明：
1）在较高转速和负荷条件下，活塞的最大应力和最大位移较大；
2）使用更加高强度的7075-T6铝合金可以显著降低活塞的最大应力；
3）建议在实际应用中选择更加耐磨的高强度材料。
参考文献：
[1]林永生.数值分析原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2004.
[2]刘勇，安健.基于ANSYS的发动机活塞温度场数值模拟[J].机械工程学报，2012。
[3]付涛.基于ANSYS的某发动机活塞设计优化研究[D].长沙：中南大学，2010。