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Proe Creo教程资料:
11.2  活塞结构分析

  活塞是汽车发动机的“心脏”,承受交变的机械负荷和热负荷,是发动机中工作条件最恶
劣的关键零部件之一。活塞的作用是将承受的气体压力通过活塞销传递给连杆,驱使曲轴旋
转。活塞直接与高温气体接触,瞬时温度可达2500K以上,受热严重,而散热条件又很差。
活塞顶部承受气体压力很大,特别是做功行程压力最大,汽油机高达3~5MPa,柴油机高达6~
9MPa,这就使得活塞既承受冲击力,又承受侧压力的作用。所以,对活塞进行结构分析是相
当必要的。
 
11.2.1  建立分析模型
 
    分析条件:活塞顶部受到2500K、9MPa高温气体作用,需要具有复返l千万次运行的疲
劳安全系数。活塞材料为A16061合金铝,抗拉强度为290MPa,屈服强度为240MPa,疲劳强
度为95MPa,热传导系数为167W/ (m.℃)。
 
    1.简化模型并分配材料

图11- 29简化后的模型
Creo3.0动力学与有限元分析11.2  活塞结构分析1

    (4)选中【A16061,mtl】材料选项,使其高亮显示。选择菜单栏中的【编辑】一【属性】
命令,系统弹出【材料定义】对话框。
    (5)在【拉伸屈服应力】文本框中输入240,选中其后下拉列表框中的【MPa]选项:
在【拉伸极限应力】文本框中输入290,选中其后下拉列表框中的【MPa】选项。
    (6)选择【失效准则】下拉列表框中的【最大剪应力(Tresca)】选项,【疲劳】下拉列
表框中的【统一材料法则(UML)】选项,选中其下的【材料类型】下拉列表框中的【铝】
选项,【表面粗糙度】下拉列表框中的【己抛光】选项.在【失效强度衰减因子】文本框中输
入2。
    (7)其他选项为系统默认值,如图11-30所示。单击【确定】按钮,将其保存在库中。
图11-30  【材料定义】对话框
    (8)在工作目录双击【A16061.mtl】材料,单击【确定】按钮,返回【材料分配】对话框,
使其添加到右侧【模型中的材料】列表框中,完成模型材料的分配。

    2.定义约束

图11-32  【销钉约束】对话框
    (5)单击【参考】选项组中的空白,在3D模型中选择对称平面,如图11-34所示。
    (6)使用同样的方法,对另一对称面添加对称约束,其他选项为默认值,单击【确定】
按钮,完成对称约束的创建。
图11-34约束曲面
Creo3.0动力学与有限元分析11.2  活塞结构分析
所示。
    (3)在【压力】选项组的【值】文本框中输入9,选择其后下拉列表框中【MPa)选项,
如图11-36所示。
    (4)其他选项为默认值,单击【确定】按钮,完成压力载荷的定义。

图11-36  【压力载荷】对话框

11.2.2结构分析
 
  1.静态分析
 
  设活塞在约束条件下受到9MPa压力作用,计算其应力和变形。
Creo3.0动力学与有限元分析11.2  活塞结构分析3
图11-38选取的测量曲线

    (11)其他选项为系统默认值,单击【确定并显示】按钮,结果窗口中显示的曲线如图
11-39所示。

图11-39应力曲线图
图11-40变形量曲线
    (17)退出结果显示窗口,返回【分析和设计研究】对话框,完成静态分析。
 
  2.模态分析
 
    (1)退出结果显示窗口,返回【分析和设计研究】对话框。选择菜单栏中的【文件
(F)】一【新建模态分析】命令,系统弹出【模态分析定义】对话框。
    (2)选中【约束】列表框中的【ConstraintSetl】约束集选项,使其高亮显示。
    (3)单击【模式】选项卡,选中【模式数】单选按钮,在【模式数】文本框中输入5,
【最小频率】文本框中输入50。
    (4)单击【输出】选项卡,勾选【计算】选项组中的【旋转】和【反作用】复选框,绘
制栅格数为8。
    (5)其他选项为系统默认值,单击【确定】按钮,返回【分析和设计研究】对话框,完
成模态分析的创建。
 
Creo3.0动力学与有限元分析11.2  活塞结构分析
图11-41  变形条纹图
图11-42变形量曲线
    (17)选中【研究选择】列表框中所有模式,选择【显示类型】下拉列表框中的【Vectors】
选项。
    (18)单击【数量】选项卡,选中下拉列表框中的【Displacement]选项,选择其后下拉
列表框中的【mm】选项:选择【分量】下拉列表框中的【MagnitudeI选项。
    (19)其他选项为系统默认值,单击【确定并显示】按钮,结果窗口中显示变形线框图,
如图11-43所示。

图11-43变形线框图
    (20)退出结果窗口,返回【分析和设计研究】对话框,完成模态分析。
 
  3.疲劳分析
 
    (l)选择菜单栏中【文件(F)】一【新建疲劳分析】命令,系统弹出【疲劳分析定义】
对话框。
    (2)在【寿命】选项组的【所需强度】文本框中输入10000000,选中【加载】一【类型】
下拉列表框中的【恒定振幅】选项,选中【振幅类型】下拉列表框中的【峰值.峰值】选项。
    (3)在【输出】选项组的【绘制栅格】微调框中输入8,勾选【计算安全因子】复选框。
    (4)单击【前一分析】选项卡,选中【静态分析】下拉列表框中的【Analysisl】选项,
选中【载荷集】列表框中的【LoadSetl】载荷集选项。
    (5)其他选项为系统默认值,单击【确定】按钮,返回【分析和设计研究】对话框,完
成疲劳分析的创建。

Creo3.0动力学与有限元分析11.2  活塞结构分析
    (9)单击【数量】选项卡,选择【分量】下拉列表框中的【仅点】选项。
    (10)其他选项为系统默认值,单击【确定并显示】按钮,结果窗口中显示仅点条纹图,
如图11-44所示。
图I1-45破坏条纹图
图11-47寿命置信度条纹图

11.2.3热力学分析

 
活塞直接与高温气体接触,瞬时温度可达2500K纵上,产生18kW的动力。因此,受热严
重,热传导系数为167W/ (m.℃).散热条件差。所以,活塞工作时温度很高,顶部高达600~
700K,且温度分布很不均匀。根据这些条件对其进行热力学分析。
 
    1.创建热载荷
 
    (1)打开源文件2-1,选择【应用程序】一【Simulate】命令,进入分析界面。
    (2)在界面中选择功能区中的【主页】一【设置】一【热模式】命令,进入热力学分析
界面。

图11-49  【热载荷】对话框
    (6)其他选项为系统默认值,单击【确定】按钮,完成热载荷的定义。
 
  2.设置边界条件
 
  (1)选择功能区面板中的【主页】一【边界条件】一【规定温度】命令d,系统弹出
【规定温度】对话框。
    (2)选择【参考】下拉列表框中的【曲面】选项,在3D模型中选择活塞上表面,如图
11-50所示。
    (3)在【温度】选项组的【值】文本框中输入2500,选择其后下拉列表框中的【F】选
项,如图Il-51所示。
    (4)其他选项为系统默认值,单击【确定】按钮,完成规定温度边界条件的定义。
图11-51  【规定温度】对话框
    (3)选中【约束】列表框中的【BndryCondSetl】约束集。
    (4)选中【载荷】列表框中的【ThermLoadSetl】载荷集。
    (5)单击【收敛】选项卡,选中【方法】下拉列表框中的【单通道自适应】选项。
    (6)单击【输出】选项卡,勾选【计算】选项组中【热通量】复选框,在【出图】选项
组的【绘制栅格】微调框中输入8。
    (7)其他选项为系统默认值,单击【确定】按钮,完成稳态热分析的创建,返回【分析
和设计研究】对话框。
Creo3.0动力学与有限元分析11.2  活塞结构分析6
图11-53温度条纹图

    (17)其他选项为系统默认值,单击【确定并显示】按钮,结果窗口中显示温度曲线,
如图11-55所示。
图11-55温度曲线
(18)退出结果窗口,返回【分析和设计研究】对话框,完成稳态热分析。

  4.瞬态热分析
 
    (1)在【分析和设计研究】对话框中,选择菜单栏中的【文件(F)】一【新建瞬态热分
析】命令,系统弹出【瞬态热分析定义】对话框。
    (2)选中【约束】列表框中的【BndryCondSetl】约束集。
    (3)选中【载荷】列表框中的【ThermLoadSetl】载荷集。
    (4)单击【温度】选项卡,选择【初始温度】选项组中【分布】下拉列表框中的IMecT)
选项,选中【热分析】下拉列表框中的【Analysisl】选项,选中【载荷集】列表框中的
【ThermLoadSetl】载荷集选项。
    (5)单击【收敛】选项卡,选中【方法】下拉列表框中【单通道自适应】选项。
    (6)单击【输出】选项卡,勾选【计算】选项组中【热通量】复选框,在【出图】选项
组的【绘制栅格】微调框中输入8。
    (7)其他选项为系统默认值,单击【确定】按钮,完成瞬态热分析的创建,返回【分析
和设计研究】对话框。

图11-56温度曲线
(14)退出结果窗口,系统返回【分析和设计研究】对话框,完成瞬态热分析。

 



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