摘要：利用有限元软件ANSYS完成了发动机活塞在热载荷和机械载荷耦合作用下的有限元分析，分析时考虑了活塞各部件的接触关系，计算了活塞的应力场和位移场，并对计算结果进行了综合分析，为改进设计提供了参考。
关键词：活塞 ;接触 ;耦合;有限元
活塞是发动机的核心部件，在发动机的工作过程中，既要承受瞬时的高温热负荷,又要承受往复运动过程中的机械负荷。热负荷与机械负荷的耦合作用导致活塞变形、活塞销座开裂、活塞侧部磨损以及冷热不均引起的顶部热裂等故障现象的出现。因此活塞应有足够的强度、刚度、耐热性、良好的导热性、小的膨胀系数等性能。活塞的可靠性决定了内燃机整机的可靠性水平，要提高内燃机整机的可靠性水平，对活塞进行结构强度分析以满足设计要求是必不可少，借助有限元软件辅助设计的模式已经被许多厂家所采用。
目前活塞的分析大都是仅仅考虑一个部件，忽略了缸体、活塞销、活塞环、连杆同活塞之间的相互配合关系，实际活塞在工作过程中，这些部件和活塞的配合关系是变化的，对活塞的作用力也是变化的，仅仅考虑一个部件来分析则忽略了这种变化。本文的分析则考虑了各个部件之间的相互装配关系，在软件分析时通过定义接触来模拟这些装配关系，是一个多体非线性边界问题，同时采用比较法来设定传热边界条件来完成活塞温度场、力场耦合分析。
1、活塞温度场、力场耦合有限元分析流程
活塞温度场、力场耦合有限元分析的过程为：在CAD软件中完成活塞各部件几何模型的创建，然后按照各部件的装配关系组装成装配件，保存为有限元分析软件能够读入的数据格式，再将装配件的几何模型数据导入到有限元软件中完成网格划分、热边界条件的设置，进行热分析，最后加入危险工况的载荷条件，完成温度场、力场耦合的分析计算。
2、有限元模型
有限元分析时结构模型尽量能接近实际模型，活塞组件模型的创建和装配是在UG软件中完成，创建模型时考虑了活塞、活塞销、活塞环和连杆的小头，还有活塞销孔附近的加工面和油孔也都考虑了，网格划分采用智能网格划分，在活塞头部是重点考虑部位网格需要加密，选用10节点的四面体单元，生成346039节点，224294单元。装配体的几何模型、有限元网格模型如图1、图2所示。
3、活塞热边界条件的确定
活塞工作时，除了活塞顶部（厚度小于2mm）随燃烧室内燃气温度变化外，其于各处的温度基本稳定不变，因此可以认为活塞具有稳定的温度场，对活塞进行的是稳态的热分析。
作者：吴胜军 韦宁 程梓豪