内燃机活塞优化设计及分析
吴静：内燃机活塞优化设计及分析３
内燃机活塞优化设计及分析
吴静
（湖南岳阳职业技术学院）
（摘要］利用ＰＲＯ／Ｅ软件，运用有限元分析技术，详细分析内燃机活塞负荷的基础上，提出活
塞的机械负荷边界条件，经多次拟合修正，计算得到活塞的机械应力。计算结果显示原设计活塞有
较大的储备强度，有进一步优化的可能。通过有限元分析设计改进后的活塞减小了压缩高度，降低
了质量，使活塞结构更趋合理。有限元分析表明，各种应力应变均在设计允许范围之内，活塞结构
的改进是成功的设计。
（关键词］内燃机活塞有限元分析优化设计
１活塞三维实体几何模型的建立ＰＲＯ／Ｍ是目前最为通用有效的有限元软件之一。通过选择了与Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ集成的Ｐｒｏ／ＭＥＣＨＡＮＩＣ软件，对ＣＡ４８８活塞进行在机械载荷作用下的应力和变形分析，进行有限元分析计算得出活塞的机械应力场的分布模型，最后对活塞结构进行优化设计。
１．１几何模型的简化
在进行数值模拟的过程中，模型的建立非常重要。为了能使模拟的结果与实际情况尽可能的接近，在建模中应使模型中的各个关键参数与实际相一致。考虑到模型的计算规模，对模型进行了必要的简化：
（１）忽略了直径只有几毫米的冷却油孔；
（２）忽略了一些尺寸很小的过渡圆角；
（３）忽略了活塞销孔的润滑油槽和档圈槽；
（４）将活塞裙在与活塞顶接触处的卸载沟以及顶、裙在此处的凹台简化为斜面；
（５）考虑到了该活塞对称性，取结构的１／４进行有限元分析；
（６）只考虑活塞顶、活塞裙、连接螺栓及活塞销间的接触，而忽略缸套、活塞环以及油膜与它们的接触，将它们同活塞顶、活塞裙、连接螺栓间的接触传热转换为对流传热，即通过设置适当的对流环绕系数和环境温度进行等效处理；
（７）固体间的接触传热是个复杂的过程，接触传热系数受到很多因素的影响，例如承压力、表面光洁度等等，在模拟过程中都将予以忽略，认为是无障碍传热，即接触传热系数就等于该材料的导热系数；
（８）不考虑接触面问的摩擦，忽略有摩擦产生的热量；
（９）假设活塞销是绝热的，忽略它同活塞裙之间的热交换。
在分析过程中把活塞看成是一个空间弹性连续体，由于活塞具有近似轴对称形状，所以简化过程中忽略活塞销的影响做近似轴对称处理。在活塞实体造型时，简化了活塞表面的贮油凹槽、输油沟顶尖孔条等处，但为尽量模拟活塞实体受力状况，对活塞头部、裙部表面进行分割、划线等处理。为简化计算将活塞看作为对称性实体，分别将整个实体、１／２实体和１／４实体模型引入到Ｐｒｏ／ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ环境下进行有限元分析。经过对比，发现它们的计算结果相差很小，而用１／４实体模型可以更加直观地显示各项分析结果，模拟结果更加符合实际，因此最后决定采用活塞１／４实体模型进行计算。如图１所示，简化后，零件的位移、应变与应力等相对于对称轴为回转对称。
图１三维实体简化模型
万方数据
４内燃机配件２００９年第５期
１．２单位设定
建立完有限元模型后，还要定义模型的单位系统，模型的单位系统一般采用国家标准：长度单位：毫米（ｍｍ）；质量单位：吨（ｔ）；力单位：牛顿（Ｎ）；时间单位：秒（ｓｅｃ）；温度单位：摄氏度（℃）。
１．３物性材料的定义
ＣＡ４８８活塞的材料为ＨＴ２００，可以进行一些必要的假设与简化：［１卜１２］
１）假设所采用材料全为均质各向同性；
２）忽略分析过程中的温度变化及热效应对材料的影响。
因而在稳态热传导分析中，材料属性只需知道导热系数即可。考虑到下一步的力学分析，在此一并对杨氏模量、泊松比、密度和热膨胀系数进行设置。模型中材料属性定义如表１所示。
表１材料属性数值
１．４自动网格划分
有限元网格模型的建立是采用有限元法求解问题的先决条件。ＡｕｔｏＧＥＭ即为自动网格划分器（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＧｅｏｍｅｔｒｉｃＥｌｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌｉｎｇ）。通常在Ｐｒｏ／ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ的集成模式中，Ｐｒｏ／ＭＥ－ＣＨＡＮＩＣＡ的分析任务自动完成对几何模型的有限元网格划分工作。在ＰＲＯＥ中的实体建模结束后，再导入Ｐｒｏ／ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ，利用Ｐｒｏ／ＭＥ—ＣＨＡＮＩＣＡ软件中的网格划分功能模块ＡｕｔｏＧＥＭ对活塞零件进行网格划分。
网格模型如图２所示。
图２活塞有限元网格模型
２活塞机械负荷边界条件的确定活塞的机械负荷是在活塞运动过程中加载的。活塞所承受的机械负荷主要是由气缸工作气体压力、活塞往复惯性力合成所引起的脉动循环应力产生的，且机械负荷比较复杂。活塞在膨胀冲程的上止点附近承受燃烧爆发压力的压缩载荷，而在排气冲程的上止点附近承受往复运动质量惯性力的拉伸载荷。
选取最大爆发压力工况作为计算工况，该工况曲轴转角大致在，连杆传给活塞的力只偏离Ｙ轴２。，因此将只考虑Ｙ方向力的作用，即最大爆发压力、活塞往复惯性力和活塞销座分布力的作用。
２．１最大爆发压力
活塞顶所受的气体压力，其数值等于活塞的上部的燃气压力值减去曲轴箱内的气体压力．当采用简化受力分析时，活塞受到的环岸处的气体的压力由于对称的要求可以忽略掉，其余的活塞部分受到的气体的压力十分小，也可以忽略不计。因此活塞所受的力可以简化为顶部及火力岸的气体压力。２．２最大惯性力
由于动力学计算时，活塞运动做功时活塞会有加速度产生，活塞质量的存在必然会引起活塞整体的往复惯性力。计算活塞承受的最大往复惯性加速度的公式为：
Ｄ
产Ｒ（ｃ’２ｆＣＯＳｉ“－－ＣＯＳ２０＼（１）
＼“，
式中：Ｒ一曲柄半径；
∞一曲轴旋转角速度；
卜曲轴转角。
２．３活塞销座分布力
活塞销处的受力为分布力，此分布力的大小为活塞顶部气体的压力与活塞的往复惯性力的差值．活塞销座上的受力公式如下：
Ｑ＝－７“Ｄ２Ｐ：。。一ｍＨＲｃｃＪ２（１＋Ａ）（２）
．｜
２．４计算结果
该发动机中Ｒ＝０．０４６ｍ，Ｌ＝０．１５１ｍ，Ⅲ＝６２８．３ｒａｄ／ｓ，最大爆发压力工况位置是：曲轴转角口＝７。；计算得到活塞加速度Ｊ＝２３３９１ｍ／ｓ２，此时最大爆发压力Ｐ一。＝５．４ＭＰａ。由此可知，活塞销座孔上的分布力全力Ｑ＝１６７１Ｎ。
３活塞应力及位移分析
工作时，活塞受到气体爆发压力和往复惯性力的作用，它们的共同的特点就是都沿着活塞的轴线方向作用，所以活塞的轴线方向承受着极大的载荷。最大应力发生在销孔内上表面，其值为５０
ＭＰａ左 万方数据
吴静：内燃机活塞优化设计及分析５
右，还远远末超过活塞材料在２００℃时的最大许用
应力１８０ＭＰａ。而活塞的其他部位应力值都在４０
ＭＰａ以下。另外，活塞加强筋与活塞的顶部相连的
部位也会出现应力集中的情况，但其应力值同样小
于活塞材料的许用的应力值１８０ＭＰａ。在活塞的现
有的结构下，活塞销座的轴线方向上的刚度显然大
于垂直与轴线的方向的刚度，因此发生的位移理所
当然的是垂直与活塞的销座的轴线方向的位移大于
销座轴线方向上的位移，１／４模型活塞的最大位移
为０．２ｍｍ左右，所以活塞径向的尺寸变化量较大。４活塞优化设计
为了改善活塞的应力集中和满足对活塞的质量的要求，对以下三个主要的活塞的结构参数进行一下优化：活塞的顶壁厚、活塞销座长度、活塞销座加强筋与顶壁的连接处圆角半径。
在作优化设计时，必须选定目标函数，即优化的目标。在考虑到内燃机高速性能的要求，活塞的往复惯性力应该尽量的小，所以选定活塞的质量最小为优化的目标函数，由于在活塞销座孔的上表面的内侧容易应力过大和产生疲劳，为了使活塞在质量减小的情况下，不至于造成活塞的应力过大，所以选定活塞的最大应力小于１２０ＭＰａ作为优化的下限制条件，优化参数为顶壁厚、销座长和圆角半径。这样一来既保证了活塞的质量最小，又满足了易疲劳处的应力较小的要求，保证了安全性的要求。这样，活塞优化后的最大应力值明显小于１２０ＭＰａ，不过活塞的顶壁与活塞的加强筋交界处的应力值会稍微变大，其应力大约为８７ＭＰａ。活塞优化之后的最大位移明显变大，由优化前的０．６ｍｍ变为１．１ｍｍ，有了显著的变大。所以质量的优化是以应力和位移的变化为代价的。
优化前后的模型如图３和４所示。
图３活塞优化前的模型
图４活塞优化后的模型图
５结论
活塞销座孔的上表面的内侧是活塞的应力较集中的地方，容易产生疲劳破坏，导致裂纹的产生，同时活塞加强筋预定壁的交界处也是应力较为集中的地方。为满足活塞的高速化和轻量化的要求，运用有限元分析方法对活塞进行设计，实现了活塞设计的自动化，优化了产品的开发过程、实现了产品设计中的信息共享和并行，显著缩短了产品设计周期，提高了活塞性能和设计效率，大大减少了活塞开发设计过程中的费用，降低了设计成本，有较大的应用价值。
参考文献
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作者简介：
吴静，女，湖南岳阳人，大学本科，副教授，从事机械设
计、制造教学与研究工作。 万方数据
内燃机活塞优化设计及分析
作者：吴静， WU Jing
作者单位：湖南岳阳职业技术学院
刊名：
内燃机配件
英文刊名：INTERNAL COMBUSTION ENGINE PARTS
年，卷(期)：2009(5)
被引用次数：1次
参考文献(9条)
1.蒋孝想有限元法基础 1984
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9.周龙保内燃机学 1998
引证文献(1条)
1.裘升东内燃机活塞优化设计及分析[期刊论文]-机械研究与应用 2011(1)
本文链接：https://www.wendangku.net/doc/78189952.html,/Periodical_nrjpj200905001.aspx