·目錄摘 要 IAbstract ...............II1 引 言 31.1 課題的背景 31.2 本文的主要研究內(nèi)容 32 有限元法和ANSYS與Pro/E簡介 52.1 有限元分析方法概述 52.2 有限元分析的基本思想 52.3 ANSYS的主要功能 62.4 ANSYS提供的分析類型 72.5 Pro/E軟件簡要介紹 93 485柴油機氣缸墊密封性分析與試驗 113.1 影響485柴油機氣缸墊密封性的因素 113.2 試驗 153.2.1試驗方法 153.3.2 試驗原理和環(huán)境 163.3.3 實驗結(jié)果與分析 164 485柴油機氣缸墊密封性有限元分析 184.1 實體模型的建立 184.2 有限元模型的建立 224.3 邊界條件和載荷的施加 234.3.1 位移邊界條件 234.3.2 接觸邊界條件 234.3.3 載荷邊界條件 244.3.4 螺栓預緊工況 244.3.5 工作工況 244.4 在螺栓預緊工況下有限元計算結(jié)果分析 254.4.1 缸口部位的密封分析 264.4.2 潤滑油孔的密封分析 274.4.3 冷卻水的密封分析 274.5 工作工況的485柴油機氣缸墊受力分析 294.6 結(jié)論 315 總結(jié)和展望 32參考文獻 33致謝 341 引言1.1 課題的背景氣缸墊位于氣缸蓋與氣缸體之間，又稱氣缸床，其功用是填補氣缸體和氣缸蓋之間的微觀孔隙，保證結(jié)合面處有良好的密封性，進而保證燃燒室的密封 防止氣缸漏氣和水套漏水。

該485柴油機采用的是鋼質(zhì)氣缸墊 隨著內(nèi)燃機的不斷強化，熱負荷和機械負荷均不斷增加，氣缸墊的密封性愈來愈重要對結(jié)構(gòu)和材料的要求是：在高溫高壓和高腐蝕的燃氣作用條件下具有足夠的強度,耐熱；不少損或變質(zhì)，耐腐蝕；具有一定的彈性，能補償結(jié)合面的不平度，以保證密封，使用壽命長.隨著現(xiàn)代機械設(shè)計要求的日益提高，將有限元法運用于機械設(shè)計和機械運動分析已經(jīng)成為必然的趨勢，主要體現(xiàn)在：傳統(tǒng)機械設(shè)計耗費工時，設(shè)計周期較長，產(chǎn)品成本較高傳統(tǒng)機械設(shè)計是在有限的幾個方案中比較或是選擇一個比較優(yōu)秀的方案進行設(shè)計的，這就使得設(shè)計具有一定的盲目性將有限元法運用到機械設(shè)計中去，可以優(yōu)化零件形狀，降低消耗和成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能最為重要的有限元法大大縮短了設(shè)計周期，減少了試件的制作有限元法在產(chǎn)品設(shè)計和研究中說顯示出的無比優(yōu)越性，使其成為企業(yè)在市場競爭中的有利工具，已經(jīng)越來越受到工程技術(shù)人員的重視 1.2 本文的主要研究內(nèi)容ANSYS是大型的通用有限元軟件，其功能強大，可靠性好，具有強大的結(jié)構(gòu)分析能力和優(yōu)化設(shè)計模塊，因而被國內(nèi)外大多數(shù)機械行業(yè)所采用本文將基于ANSYS建立485柴油機汽缸墊結(jié)構(gòu)的有限元模型，對汽缸墊結(jié)構(gòu)進行動力學分析。

首先，對ANSYS進行了簡要的介紹，為汽缸墊結(jié)構(gòu)的有限元分析做好準備工作；然后，以汽缸墊為研究對象，利用ANSYS建立了汽缸墊實體單元模型，然后利用ANSYS對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進行研究，并給出分析步驟基于有限元技術(shù)分析鋼質(zhì)氣缸墊受力情況,精確建立氣缸墊的實體模型并施加合理的邊界條件,在螺栓預緊工況計算結(jié)果與試驗結(jié)果很好吻合的基礎(chǔ)上,計算了工作工況下485柴油機鋼質(zhì)氣缸墊的密封性能,計算結(jié)果表明:在沒有非金屬材料密封的情況下,本鋼質(zhì)氣缸墊有滲水的可能性該結(jié)論可以為設(shè)計人員在鋼質(zhì)氣缸墊的設(shè)計上提供一定理論依據(jù)2 有限元法和ANSYS與Pro/E簡介2.1 有限元分析方法概述有限元法是一種離散化的數(shù)值解法,是用于求解各類實際工程問題的方法應(yīng)力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的、非線性的問題及熱力學、流體力學、電磁學以及高速沖擊動力學問題都可以通過有限元法得到解決 有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學研究的科學家的濃厚興趣經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法 。

20 世紀 60 年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學計算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleigh Ritz 法＋分片函數(shù)”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一種局部化情況 不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的 Rayleigh Ritz 法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個定義域的復雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一2.2 有限元分析的基本思想有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本思想是用較為簡單的問題代替比較復雜的問題后再求解它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互聯(lián)子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所替代由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元法不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復雜情況，因而有限元分析成為行之有效的工程分析手段 有限元法的基本思想可歸結(jié)為兩個方面，一是離散，二是分片插值 。

離散就是將一個連續(xù)的求解域人為地劃分為一定數(shù)量的單元，單元又稱網(wǎng)格，單元之的連接點稱為節(jié)點，單元間的相互作用只能通過節(jié)點傳遞，通過離散，一個連續(xù)體便分割為由有限數(shù)量單元組成的組合體離散的目的就是將原來具有無限自由度的連續(xù)變量微分方程和邊界轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換為只包含有限個節(jié)點變量的代數(shù)方程組，以利于用計算機求解 有限元法的離散思想借鑒于差分法 ，但做了適當改進首先，差分法是對計算對象的微分方程和邊界條件進行離散，而有限元法是對計算對象的物理模型本身進行離散，即使該物理模型的微分方程尚不能列出，但離散過程依然能夠進行其次，有限元法的單元形狀并不限于規(guī)則網(wǎng)格，各個單元的形狀和大小也并不要求一樣，因此在處理具有復雜幾何形狀和邊界條件以及在處理具有像應(yīng)力集中這樣的局部特性時，有限元法的適應(yīng)性更強，離散精度更高 變分法是在整個求解域用一個統(tǒng)一的試探函數(shù)逼近真實函數(shù)，當真實函數(shù)性態(tài)在求解域內(nèi)趨于一致時，這種處理是合理的但如果真實函數(shù)的性態(tài)很復雜，再用統(tǒng)一的試探函數(shù)就很難得到較高的逼近精度，或者說要得到較高的精度就需要階次很高的試探函數(shù)同時由于不能在求解域的不同部位對試探函數(shù)提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求問題的求解很困難。

所以這類方法一般用于求解函數(shù)交規(guī)則和邊界條件較簡單的問題 分片插值的思想是有限元法與里茲法的一個重要區(qū)別，它是針對每一個單元選擇試探函數(shù)（也稱插值函數(shù)），積分計算也是在單元內(nèi)完成由于單元形狀簡單，所以容易滿足邊界條件，且用低階多項式就可獲得整個區(qū)域的適當精度對于整個求解域而言，只要試探函數(shù)滿足一定條件，當單元尺寸縮小時，有限元就能收斂于實際的精確解 從以上分析可知，有限元法是差分法的一種發(fā)展，又可以看成是里茲法的一種新形式它兼顧了兩者的優(yōu)點，同時克服了各自的不足，因而具有更大的優(yōu)越性和實用性 2.3 ANSYS的主要功能ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，目前，有限元法從它最初應(yīng)用的固體力學領(lǐng)域，已經(jīng)推廣到溫度場、流體場、電磁場、聲場等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域在固體力學領(lǐng)域，有限元法不僅可以用于線性靜力分析 ，也可以用于動態(tài)分析，還可以用于非線性、熱應(yīng)力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問題的研究軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊 前處理模塊前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。

分析計算模塊分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力后處理模塊后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出軟件提供了200種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料2.4 ANSYS提供的分析類型ANSYS軟件提供的分析類型如下 ：結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析 結(jié)構(gòu)動力學分析結(jié)構(gòu)動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響ANSYS可進行的結(jié)構(gòu)動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機振動響應(yīng)分析結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。

ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種動力學分析結(jié)構(gòu)動力學分析研究結(jié)構(gòu)在動載荷作用的響應(yīng)（如位移、應(yīng)力、加速度等得時間歷程），以確定結(jié)構(gòu)的承載能力的動力特性等ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力電磁場分析主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應(yīng)、電路和能量損失等還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析領(lǐng)域流體動力學分析ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。

聲場分析ANSYS把聲學歸為流體，程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強度分布 ，或預測水對振動船體的阻尼效應(yīng)壓電分析壓電效應(yīng)分析是一種結(jié)構(gòu)－電場耦合分析，給壓電材料加電壓會產(chǎn)生位移，反之使壓電材料振動則產(chǎn)生電壓，一個典型的壓電分析的應(yīng)用是壓力換能器ANSYS壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應(yīng)這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析可進行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析 2.5 Pro/E軟件簡要介紹Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準而。