( a ) 活塞温度分布云图 ( b) 活塞热流密度分布云图

　　图6 活塞温度场分布云图

　　Figure6. Temperature field distribution cloud chart of piston 4 活塞的热结构耦合分析在Thermal 环境下，建立活塞的边界条件，建立热分析 Thermal 后，在 Structure 环境下加载活塞的约束边界条件，然后在此环境下通过MEC/T的方式将热分析Thermal以力载荷的形式加载到力分析中去，建立静态力学分析Structure(其中Structure包含Thermal)，得到热和结构耦合的仿真模型(Structure-Thermal)，最终可获到活塞的热结构耦合应力云图与变形矢图，如图7所示。

　　(a) 活塞热和机械耦合应力云图 (b) 活塞热和机械载荷下的变形矢图

　　图7 活塞热结构耦合分析云图

　　Figure7. Thermal-structure coupling analysis cloud chart of piston

　　活塞在热和机械载荷共同作用下，最大等效应力值为214MPa，也出现在活塞销孔上方销座内侧，实际值将会比这个值小，考虑活塞建模时由于网格处理较困难，在销孔圆周上未倒圆角。比较图4(a)活塞机械载荷作用与图7(a)热和机械载荷耦合作用下的应力云图，可以看出耦合作用下活塞的受力趋势与机械载荷作用下的趋势一致，但相应的等效应力较机械载荷时有所提高，最大等效应力为出现在销座与销的接触面上，销座内侧边缘存在局部应力集中现象。这与活塞只受压力载荷时的结果接近，说明活塞的机械应力占主导地位[8] 。在设计上可以在活塞顶部与活塞销座之间加强筋，以提高销座的实际承载能力，另外对销孔及销座进行倒圆角处理，可避免应力集中现象。图7(b) 为活塞在热和机械载荷耦合作用下的位移变化矢图，从图可以看到，活塞整个部分都是向外胀大，活塞下面变化较大，最大位移值为0.1962mm，该变形值在活塞和缸套的配合间隙设计值(0.25mm~0.40mm)范围之内[9]。因此不会出现拉缸和抱缸现象，在活塞顶部、裙部及其他地方的变形不大，大部分在0.08mm~0.14mm之间。由此可见，活塞在温度和机械载荷作用下的变形和应力值都不会影响内燃机的可靠运行。 5 总 结本文结合Pro/Mechanica模块，采用有限元分析方法，对活塞进行了热、机械及热结构耦合分析，得出以下结论： 从活塞的热分析可知，活塞的最高温度位于与燃气直接接触的活塞顶部，最高温度为300℃，最低温度为190.5℃，并且总体上是由上而下逐渐降低。 从活塞的机械载荷作用下应力分析可知，由于活塞和活塞销的之间的相互作用，使得活塞与活塞销接触的销座内侧上缘出现了较大应力，其值高达 196MPa。有局部应力集中现象，该处为活塞可能发生失效断裂的位置。在活塞的其他部位，应力值几乎都低于120MPa，相对于活塞材料的强度而言，活塞具有足够的强度裕量。 在热结构耦合作用下，整个活塞能够满足温度、强度以及变形的要求。在活塞顶部的应力值以热应力为主，温度对活塞应力的作用占主要地位。而在销座部位是机械应力占主要地位，燃气爆发压力、往复惯性力是造成这一部位应力较大的主要因素。

　　参考文献 何屹. 活塞在温度和机械载荷作用下的有限元分析[ D ]. 大连海事大学，2007：25~33 陈永东，钟绍华. 基于Pro/MECHANICA的内燃机活塞有限元分析[ J]. 汽车技术，2006.6：12~16 《船用柴油机设计手册》编辑委员会. 船用柴油机设计手册(五)，船用柴油机主要零部件[ M]. 北京：国防工业出版社.1982：333~336 张继春，杨建国，李兴虎. 基于Pro/MECHANICA的活塞有限元分析[ J]. 机械工程师，2006，1：55~57 王虎. 内燃机零部件热负荷研究的现状讨论与展望[ J]. 内燃机，2005，6：4-6 王虎，桂长林. 基于参数化有限元模型的活塞热负荷仿真分析[ J]. 机械设计，2005，22(9)：12~14 冯立岩，高希彦，夏惠民等. 8E160柴油机活塞组热负荷及机械负荷耦合分析[ J]. 内燃机学报，2002，20(5)：441~446 马迅，赵刚. 发动机活塞的热结构耦合分析[ J]. 机械设计与制造，2005，(11)：40~42 张金柱，韩玉敏. 柴油发动机维修技术300问[ M]. 北京：化学工业出版社，2008，216

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