abaqus 活塞分析的案例
HyperWorks在活塞分析計算中的應用
摘要：活塞作為發動機動力單元的主要組成部分，在動力傳輸中處于關鍵核心位置。其結構強度，理論相對疲勞壽命直接影響發動機整體的壽命，對其進行有限元分析與結構優化有著十分重要的現實意義。在以往的有限元分析中，大多只對單個活塞進行有限元分析，而并沒有考慮整個動力單元之間的相互影響，本文運用Altair HyperWorks的強大前處理軟件HyperMesh建立了活塞，活塞銷，連桿整體模型，并對其進行了熱固耦合分析以及疲勞壽命分析，采用 HyperView對分析結果進行可視化處理。在此基礎上，運用Morph對結構進行了合理的優化，取得了良好的結果。
關鍵詞：Altair HyperWorks,發動機,活塞,結構優化,疲勞壽命
1 引言
發動機動力單元主要包括缸套，活塞，活塞環，活塞銷，連桿等零件，如圖1所示。活塞作為動力單元的關鍵零部件，工作環境惡劣，受載復雜，其失效將會導致整個發動機系統的失效。因此，本文以內燃機活塞作為研究對象，對其進行結構強度分析具有十分重要的現實意義。在活塞溫度計算過程中，充分利用試驗分析數據，計算出了活塞的準確溫度分布。在此基礎上，將活塞所受的熱應力與機械應力相結合，得到了準確的活塞應力分布。在疲勞分析的基礎上，運用Altair HyperWorks的Morph工具進行了結構優化。在分析計算過程中，HyperWorks作為一款先進的計算機輔助分析軟件，在設計研發中發揮了重要的作用。
本文擬采用圖 2 所示的有限元分析流程。
2 動力單元（PCU）的有限元分析
2.1 有限元分析模型的建立
為了得到高質量的網格，有必要對模型進行一些幾何清理。本文以HyperMesh作為有限元分析前處理軟件，對導入的模型進行幾何處理。
展開 基于MeshFree的活塞熱傳遞分析
活塞熱傳遞分析.rar
1.背景
當物體與周圍環境存在溫差時，熱量就會從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞，這就是熱傳遞現象。熱傳遞分析可以分為穩態熱傳遞分析和瞬態熱傳遞分析。通過MeshFree對活塞進行了熱傳遞分析。
2.參數設置
分析類型選擇熱傳遞，導入piston.X_T文件，穩定狀態是指物體和周圍環境處于相同溫度。在這種狀態下，引起傳熱的條件、傳熱速率和溫度分布是均勻的，并且不隨時間變化。非線性穩態傳熱分析是一種分析穩態傳熱和溫度分布的方法。在這種情況下，輸入材料參數和邊界條件是與溫度相關的。
2.1固定溫度設置
固定溫度指定一個不變的溫度值，適用于溫度已知的地方。固定溫度屬于傳熱分析中的邊界條件。指定固定溫度的部件，溫度總是不變的。
2.2對流設置
固體表面與周圍流體之間的熱交換，屬于傳熱分析中的邊界條件，用對流換熱系數來表示。
3.結果查看
溫度
溫度梯度結果
熱流量結果
展開 基于AMESim的往復活塞泵建模與分析
當活塞C運動一段行程后，行程閥C切斷控制氣輸出，換向閥B，D換位，氣缸B，D充氣，活塞B，D向里運動，同時行程閥B向換向閥A，C輸入控制氣，使氣缸A，C排氣，進入充液沖程。4個腔推進劑兩兩交替泄出和充填，實現連續穩定的推進劑供應。
圖1 往復泵原理及結構
1.2、往復活塞泵建模
1.2.1、液、氣缸的數學模型
由往復泵工作原理可知，理論上液缸和氣缸之間沒有物質的交換，若考慮可壓縮性，液、氣缸均可按活塞缸建立數學模型，其中液缸腔體內置一彈簧。以下為流量壓強方程及受力方程。a.流量壓強方程。忽略活塞處密封的泄露，可以得到如下一組方程，液缸流入V 腔的流量為：
Qz=vA
Qz為活塞腔的流量；v為活塞運動速度；A 為V腔活塞有效面積。氣動分析中，經常將氣流所通過的氣動元件抽象成一個收縮噴嘴或節流小孔來計算。氣缸流入流出V 腔的流量為：
q為氣體通過小孔的流量；S 為小孔有效截面積；T 為小孔上游氣體的溫度；pu為小孔上游的氣體壓強；pd為小孔下游的氣體壓強；R 為氣體常數；k為絕熱指數。
結束語
分析往復式活塞泵原理及結構，利用AMESim軟件建立往復泵模型，并模擬不同彈簧剛度對泵的性能的影響。由仿真結果可知，氣體的壓縮性是影響活塞協調運動的主要因素，通過向液缸設置彈簧并適當調整彈簧剛度能夠有效地提高系統性能，增加輸出流量的穩定性。若適當增加液缸、氣缸的直徑，可在提高流量穩定性的同時保持輸出流量不變。
文章來源：真空技術網
展開 基于OptiStruct的活塞式壓縮機殼體VTF仿真分析及形貌優化
1 薄板結構振動聲輻射
1.1 聲輻射理論
往復壓縮機通過曲柄連桿機構將電機的旋轉運動轉換為活塞的往復運動，從而將機械能轉換為氣體的壓力能，轉換過程中做旋轉運動的曲柄等因其質心偏離旋轉中心而產生旋轉慣性力，活塞等因往復運動而產生往復慣性力，旋轉慣性力及往復慣性力通過座簧激勵壓縮機外殼，使其產生彎曲振動。往復壓縮機外殼通常采用2～6 mm的鋼板，其厚度尺寸遠小于長寬尺寸，為薄板結構。當殼體被激振起來時，將帶動殼體表面的空氣層振動，從而產生輻射噪聲。壓縮機殼體即為面聲源，將面聲源鑲嵌在無限大障板中去研究。如圖1所示為薄板結構離散圖，假設為一鑲嵌在無限大障板的矩形薄板，薄板結構被均分成有限個面積相等的振動單元，薄板的振動傳遞到半空間中觀察點的聲壓可由Rayleigh積分得出[6-8]。
展開 
基于Simsolid的發動機活塞結構分析
若修改為Seperating，則需要在計算之前設置對應的分析參數：seperating contact，如果有材料或者幾何大變形，也對應的勾上。但目前還不能支持幾何大變形與可分離接觸并存的計算，相信后續會更新支持更多非線性的分析類型。
查看計算結果如下：可查看各種類型的結果，可顯示最值，也可以非常方便的顯示路徑上的結果。結果的展示也是美如畫??！
5 總結
不論是對有一定有限元基礎的玩家或者是新手來說，Simsolid都是很容易上手的。流程清晰，圖標明確。模型樹的管理，各個不同模塊跳轉速度也非?？?，關鍵是計算速度也快。基本完成整個活塞的模態和強度分析，只需要5分鐘！如果在abaqus，前處理都要超過這個時間了，可見Simsolid的高效。
但還有很多功能還不夠完善，比如對非線性求解類型支持的還不夠多。相信隨著軟件開發的繼續，Simsolid一定會越來越強大的。
展開 案例分享：氣缸活塞的熱機疲勞分析
氣缸活塞是許多機械設備，如內燃機、壓縮機等中的關鍵組成部分。它們長期受到機械載荷和熱載荷的周期性作用，特別是在高性能和高負載的應用中。由于溫度的大幅度波動和復雜的載荷條件，活塞結構可能會發生疲勞損傷，這稱為熱機疲勞。熱機疲勞是一種由于熱載荷和機械載荷共同作用導致的損傷機制。在活塞中，溫度可能會迅速改變，導致材料熱膨脹和收縮。與此同時，活塞還承受著來自氣缸內壓力的機械載荷。這種復合效應可能導致活塞材料的微觀裂紋產生和擴展，最終可能導致活塞的斷裂和失效。
為了有效分析和預測氣缸活塞的疲勞情況，采用熱機疲勞模塊進行了以下分析：
1、載荷模擬：創建一個綜合了機械和熱載荷的真實工作環境模型，考慮活塞的工作周期和溫度波動。
2、材料特性分析：采用多溫度S-N曲線對不同溫度下的疲勞特性進行刻畫。
3、疲勞損傷預測：運用溫度插值方法來預測可能的疲勞損傷和壽命，確定潛在的故障區域。
氣缸活塞疲勞壽命云圖
了解更多疲勞分析方案：
http://jsform2.com/web/formview/66390a7575a03c2416365f4f
展開 三缸發動機活塞運動受力分析（轉載）
image_process=/format,webp/resize,w_219" alt="基于comsol的鋰電池疊片電化學耦合熱分析的圖1" width="219"></span></p><p>在往復活塞式發動機中，連桿將旋轉運動轉換為往復運動。連桿始終處于高應力狀態，負載隨著發動機轉速的提高而增加。通常來說，發動機中有一個零件故障就需要更換整個發動機。因此，發動機所有零件的設計都至關重要，以使它們在發動機運行壽命期間不會發生故障。連桿是其中的關鍵部件，需從疲勞角度進行分析。使用 Basquin 高周疲勞準則預測疲勞壽命。</p><p>本例基于comsol“多體動力學模塊”中的“三缸往復式發動機”模型，其中發動機的關鍵部件被模擬為柔性體，其余部件被模擬為剛體。各部件通過不同類型的關節進行連接。該技術顯著減小了模型尺寸，同時保持了裝配中的力平衡。
展開 CONVERGE滾動活塞式壓縮機三維CFD分析案例
CONVERGE滾動活塞式壓縮機三維CFD分析案例
關于CONVERGE
CONVERGE是由美國Convergent Science Inc（CSI）公司2006年開發的一款新一代CFD軟件。因為它一CSI舉解決了CFD領域中非常棘手的全自動六面體網格剖分和運動邊界處理問題，并具備完善的湍流、噴霧、燃燒、排放等發動機缸內分析需要的各種物理模型而在行業大獲好評和推薦！CONVERGE首先被成功應用到活塞式發動機行業，包括柴油機、汽油機、天然氣/乙醇/氫氣/混合氣體發動機等，如今，CONVERGE已一躍成為國內外發動機設計領域使用最廣泛的知名CFD分析工具!
滾動活塞式壓縮機具備結構簡單，部件少，制造成本低，效率和可靠性高等優點，在小容量冰箱或空調被大量使用。其主要工作部件（如圖1）包括靜態氣缸、偏心滾動轉子、滑片和排氣閥等。所有部件之間存在兩條主要的接觸線，分別是偏心轉子和氣缸壁之間以及滾動轉子和滑片之間。兩條接觸線使整個腔室分為吸氣室和壓縮室。吸氣室和進氣道相連，隨著轉子轉動，腔體擴張，氣體進入腔室。同時，壓縮室體積減小，一旦壓力足夠大，排氣閥打開，壓縮氣體排出。
展開 基于Workbench2020的活塞熱應力分析 ￥20
<p>活塞模型</p><figure style="text-align: center;"><figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202503/attachment/a8df1aa6408f4f388244089ba2e6878d.png" style="display: inline-block;" data-regular="true"><img src="https://img.jishulink.com/202503/attachment/a8df1aa6408f4f388244089ba2e6878d.png"></figure></figure><p><br></p><p>溫度場分布</p><figure style="text-align: center;"><figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202503/attachment/bbc764421d0043008509813ce986a7f6.png" style="display: inline-block;" data-regular="true"><img src="https://img.jishulink.com/202503/attachment/bbc764421d0043008509813ce986a7f6.png"></figure></figure><p><br></p><p>熱變形</p><figure style="text-align: center;"><figure class="figure-image
展開 活塞壓縮動網格分析（彈性光順與局部重構）
問題描述：活塞壓縮
01 分析模塊
02 建立模型
03 劃分網格
04 定義物理模型
05 定義材料
06 定義流場材料類型
07 定義邊界條件
08 定義速度和動網格
09 求解方法，求解控制，監控，都按默認設置
10 初始化
11 求解
12 后處理
基于有限元法的回油活塞強度可靠性分析.rar
ANSYS具有可靠性分析功能，其分析方法有蒙特卡羅法和響應面法。其中，蒙特卡羅法是一種很有效的計算結構可靠度的方法，但是在問題規模比較大時其效率顯得不高（具體什么樣規模的問題下效率不高？）。用ansys算結構可靠性時，需要知道隨機變量的分布類型和分布參數，對于只知道隨機變量方差和均值的情況似乎束手無策，因為ansys中沒有提供一次二階矩等方法（是否可以采用二次開發來改善這種情況？）。另外，我知道還有一個軟件profes也做可靠性，但不知道和ansys相比它有什么優勢（做可靠性方面）？
我搜索了一下論壇，這方面的討論似乎不多，不知做這方面研究的朋友們都用什么軟件在做,對結構的可靠性分析問題有何看法。
希望多多指教
基于有限元法的回油活塞強度可靠性分析.rar
展開 
基于Ansys-workbench/LS-Dyna 的活塞沖擊動力學分析
F3 灰巖
F6 頁巖
F8 白云巖
F10 花崗巖
圖12活塞端面最大應力單元時程曲線圖
由圖12分析可知隨著巖石硬度由F3到F10不斷增大時，沖擊活塞的最大應力只增加了1.5%，說明巖石硬度對液壓鑿巖機沖擊活塞最大應力影響較小。
總結：
本文對沖擊系統的波動力學理論、沖擊動力學有限元分析的理論和仿真分析過程進行了詳細的介紹。
1) 介紹了從solidworks三維建模，Ansys有限元網格生成，邊界條件的設置，材料參數的設定，Ls-dyna求解，最后得到分析結果的過程，分析結果與與波動力學理論相符合，后文的實驗結果與仿真結果相似，驗證了仿真的準確性。
2)重點分析了活塞的應力應變變化，速度和位移的變化，沖擊產生的接觸力變化，撞擊端面應力的分布和端面由外及里的應變變化的“趨表效應”情況，并且找出了最大應力和最大壓應力單元，最大拉應力單元位置，給出了它們在最大應力時刻下的界面的應力分布云圖，分析得出界面應力不是均勻的且呈中心對稱分布，判斷出了最大應力位置并提取了應力響應曲線，為后文疲勞仿真工作提供了參數。位置處于活塞端面靠近內圓附近處，沒有超過活塞材料的屈服極限，但超過了疲勞強度極限，在交變應力下在具有最大應力處的沖擊端面處，某些局部不連續的應力集中處，含有微裂紋缺陷處等會發生疲勞破壞。
展開 Ansys/Ls-Dyna進行沖擊器活塞撞擊鉆頭的動力分析
潛孔沖擊器工作原理:活塞上下運動，下行時沖擊鉆頭尾部，鉆頭頭部合金齒與巖石接觸，傳遞壓力至巖石，巖石被擠壓產生裂紋，鉆頭在鉆機帶動下旋轉，旋轉中有裂紋的巖石被切削下來。工作中活塞工作頻率很高，常出現早期斷裂，設計潛孔沖擊器時，大家對活塞的設計和制造倍加關注，進行沖擊器的活塞與鉆頭動力分析非常必要。
然而、活塞、鉆頭和巖石之間是沖擊波，沖擊應力計算很復雜，精確度不高，Ls-Dyna的出現給沖擊器的活塞與鉆頭動力分析帶來了方便，通過分析對活塞的設計和制造提供了理論依椐。
Ls-Dyna是功能齊全的幾何非線性、材料非線性以及摩擦和接觸分離等界面狀態的非線性程序，凡是涉及接觸碰撞、爆炸、穿甲、應力波傳播和金屬加工等問題都可以求解，
Ansys中綜合了Ls-Dyna。
Ansys/Ls-Dyna計算更為方便和精確。
進行活塞與鉆頭動力分析簡述如下:要有:活塞尺寸;鉆頭尺寸;巖石塊尺寸，活塞速度。
計算時使用APDL程序文件，該文件操作者自己編制。關鍵是編制APDL程序文件，完成編制則完成大部分工作量，其他工作由Ansys/Ls-Dyna軟件完成。
整體計算過程:
一.APDL文件:編制情況簡述:
有限元計算要有數學、力學、有限元理論、工程科學、軟件操作和工程經驗，必須對整個計算過程細節進行詳細考察，對軟件的適用范圍、計算精度、有限元模型的網絡劃分精度、材料參數、邊界條件及初始條件搞準、否則可能出錯，濫用是危險的做法，會得出錯誤的結果。
步驟如下:
1.定義工程名稱屬性和采用國際單位制。
2.定義單元類型、材料與實常數:
(1).活塞、鉆頭、巖石的單元類型都為SOLID164
.
(2).輸入活塞、鉆頭、巖石的材料參數:彈性模數、密度、泊松比。
3.建立實體模型，將實體模型剖成為1/4計算。
展開 某型通航發動機活塞溫度場和熱應力的初分析
（2）、SimSolid軟件一款比較有開創性的結構分析軟件，相對于ABAQUS等分析軟件，其最大優勢即在于無需劃分網格，從而大大減少了建模時間，使得未曾深入學習有限元分析理論的設計工程師也能快速掌握使用。但由于該軟件剛面世不久，其功能和易用性還有待優化，比如表面的選擇上可增加更多選擇方式、比如軟件還未有絕熱邊界、未有邊界的映射功能等等。但相信不久的將來，在Altair公司的帶領下，SimSolid將會越來越強大，越來越易用。
某通航發動機活塞溫度場和熱應力的初分析.docx
模型文件：
piston.rar
展開 『分享』基于proE MECHANIC的壓縮機Ⅱ級活塞結構力學分析
基于proE MECHANIC的壓縮機Ⅱ級活塞結構力學分析<BR><Font color=#FF0000><B>.PS.:</B>該帖附件于2006-10-22 10:27:41被藍狐評為2星級，為發貼者加分40。</Font><BR><Font color=#FF0000><B>點評:</B></Font>
基于PROE MECHANIC的壓縮機Ⅱ級活塞結構力學分析.PDF
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