摘要 将活塞简化为对称构件，采用1/ 4 模型，以Pro/Mechanica为分析平台，运用有限元分析方法分别完成了内燃机活塞在热载荷和机械载荷作用下温度场和应力场分析，并在此基础上对活塞进行热和结构耦合分析，仿真结果可为活塞优化设计提供了一种简明而有效的新思路。

　　关键词：活塞 有限元分析 耦合

　　[中图分类号] :TB115 [文献标识码] :A [文章编号]

　　Abstract: In this paper, simplify the piston as symmetry part, using 1/ 4 piston model .Take the Pro/Mechanica as analytical platform and the method of finite element analysis ,the temperature field and stress field under the action of therma and mechanical loads are analyzed respectively . The analyse of thermal-structure coupling is executed on the piston as well. The simulation result can offer a new efficient and convenient way to optimize design of piston.

　　Keywords : Piston , Finite Element Analysis, Coupling

　　活塞结构复杂，而且作为内燃机的主要受热零件，经受周期性交变的机械载荷和热载荷的作用，热载荷所产生的热变形与应力是引起活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉缸等破坏现象的主要因素[1]。所以，在设计阶段对活塞进行应力场、温度场和变形分析，以及热载荷和机械载荷的耦合分析，了解活塞的热载荷状态和综合应力分布情况，进而对活塞进行改进，降低热载荷，改善热应力分布，提高其工作可靠性具有重要意义。 1 活塞有限元网格模型建立在保证分析精度的前提下，进行活塞有限元分析时适当简化其有限元分析计算模型是必要的。考虑到活塞几何造型的对称性，在 Pro/E下取活塞零件模型的 1/4 为有限元分析模型，这样既可以简化有限元网格计算过程又可以得到可信的分析效果。

　　图1 1/4活塞三维模型

　　Figure1. 3-D model of 1/4 piston

　　基金项目：江苏省自然科学基金(BK20082317)，南通大学自然科学基金(08Z018)

　　作者简介：居志兰(1976-)，女，江苏高邮人，讲师 2 设置及参数的定义将活塞模型移至Pro/Mechanica环境下，选取热力分析模式(Thermal)，设置模型材质 (Moldel Materials)，这里选取铝合金AL2014，将抗拉强度(Ultimate Tensile Strengths)定义为482.98Mpa，材料类型(Material Type)为铝合金，表面光洁度(Surface Finish)为已上光。参数选择界面如图2所示。然后加入(Assign)活塞模型中，应用网格自动生成功能产生有限元网格。

　　图2 材料参数定义

　　Figure2. Parameter definitions of material

　　3.1 活塞结构分析 3.1.1 约束确定为使销孔产生正确受约束的状态，在其轴线上建立一个圆柱坐标系。如图3所示。

　　图3自由度约束

　　Figure3. Freedom constraints 3.1.2 计算工况及机械载荷的施加分析活塞的工作过程可知，当燃气的压力达到最大时，活塞在稳定转速条件下受力和变形也是最严重的时刻，活塞的强度问题就显得尤其突出，因此需选择活塞在额定功率下，最高爆发压力工况作为分析工况，因此将只考虑轴线方向力的作用，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。压力载荷为气缸内工作气体压强使活塞顶面受到高压作用，为简化分析可以使用稳态过程，但是不能忽视燃烧作功冲程对活塞产生的冲击载荷的影响。利用缸内流体动力学仿真分析得到的结果[2]，可以计算出内燃机在一个工作循环内，活塞顶面的平均压力30~50kg/cm2 (这里将其数值设为4.5N/mm2，高于得到的平均压力)，将其作为表面压力载荷(Surface Pressure Load)加入活塞模型的上表面，如上图3所示。 3.1.3 计算结果与分析建立仿真模型后，运行分析程序可以得到活塞在机械载荷作用下的应力、应变分布。活塞的仿真分析结果如图4所示。

　　( a ) 活塞的应力云图 ( b ) 活塞的应变云图

　　图4 机械载荷下的活塞应力、应变云图

　　Figure4. Stress and strain cloud chart under mechanical load

活塞工作时受到气体的爆发压力和往复惯性力的作用，它们的共同特点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。由图4(a)可以看出，最大应力出现在销孔上方销座内边缘处，这与柴油机设计手册上所述的一致[3]，此处也是实际中销座容易开裂的部位。由于活塞在上止点附近向下运动时活塞销会发生弯曲变形，使活塞销座也出现变形，而销座上表面的较大刚度阻止活塞销座的形变，从而导致了活塞销座的上表面内侧边缘出现了局部应力集中，最大等效应力值为196 MPa(1MPa=1.5 N / mm ∧ 2)左右(低于活塞许用应力260MPa)，活塞的其它大部分部位等效应力值都在120MPa以下。从图4(b)应变云图中可以看出最大应变出现在活塞销座与销接触面上，最大应变约为0.12%(图中显示为1.196e-03)，这些仿真分析结果可为活塞失效问题产生的根源提供了有力的理论根据。 3.2 活塞热分析 3.1热载荷的施加热载荷为气缸内的工作气体热源，使活塞顶面产生高温。由于内燃机在设计工况以高转速匀速运行，传热状况变化又是一个慢过程，为简化分析使用稳态过程，即先把活塞顶面的温度看作恒定的平均温度，而活塞环和活塞裙部的对外传热程度等效为各部分的换热系数。根据缸内流体动力学仿真分析得到的结果，可以计算出内燃机在一个工作循环内，活塞顶面的平均温度，将其加入活塞模型的上表面。单击(Heat Load)，选取活塞上表面，Value值为33mW. 然后单击，选取活塞上表面，Value值为300℃，如图5所示。 3.2 边界条件的设置在活塞环槽、活塞环岸以及活塞裙部设置表面换热边界条件，单击(Surface Convection Conditon)，等效为外界流体的对流导热系数18、流体温度 180℃。并在载荷约束设置中包括指示温度(Prescribed Temperatures)和模型的轴对称(Cyclic Symmetry)，至此形成一个完整的有限元热仿真模型，如图5所示。

　　图5 边界条件的设置

　　Figure5.Setup of boundary conditions 3.3 计算结果与分析形成仿真模型后运行分析，可以得到活塞的温度场分布云图如图6 (a) 所示，整个活塞温度分布很不均匀。活塞在反复变化的燃气温度作用下的稳态温度最大值是300℃，最高温度出现在高温燃气直接接触活塞顶面。由于该部位正对着高速流动的燃气，紊流传热造成该部分的换热系数高于活塞其它部分的传热系数，综合作用的结果使得活塞顶部出现了温度最大值。活塞裙底部的温度最低，约为 190.5℃;活塞销座部分的温度值在201.5℃~212.4℃之间。对于评价活塞热负荷状态的第一环槽温度这一重要评价指标，从图6(a)中也可以看出，其值在212.4℃~223.4℃之间，不会因温度过高而影响气环的密封性，从而造成润滑油结胶、结碳(活塞用高温润滑油的结胶温度为230℃[4])。最高温度和最低温度相差109.5℃，其结果将给活塞造成较大的热应力、热损伤。从图中还可以看出沿活塞轴线方向从上往下，活塞头部温度呈梯度下降，而裙部以下的部分温度变化较小，说明活塞顶部热变形较大，向下逐渐减小，底部热变形最小。评价活塞热载荷的指标除了活塞的温度分布之外，还需考察活塞内的热流密度分布情况，从而了解活塞吸热和放热情况，热量的流经途径，进而可判断热流分布是否合理。图6 ( b )为活塞热流密度分布云图，由图可知，活塞的最大热流量为 2.149W/mm2，(图6 ( b ) 中单位为{N / (mm﹒sec)}已换算国标单位W/mm2)最大热流量位置位于活塞的第一环槽处和活塞顶部圆角边缘处。从图6上也可以看出，由燃气转入活塞顶的热量大部分都通过活塞环传给了气缸壁和冷却水，而通过活塞裙部和活塞内腔传给表面空气的热量占的比例则较小，这些与国内研究者实验研究结果相符合[5-7 ]。

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