山東濱州渤海活塞股份有限公司(256602)蓋少磊

本文根據(jù)高功率密度鋁活塞材料的性能及活塞使用工況，結(jié)合活塞溫度場(chǎng)的試驗(yàn)測(cè)試，開展高功率密度鋁活塞模擬分析技術(shù)的研究，包括活塞溫度分布、應(yīng)力分布、變形等研究。通過分析數(shù)據(jù)的不斷積累、分析精度的不斷提高，對(duì)高功率密度鋁活塞的研發(fā)起到了指導(dǎo)作用，提高了設(shè)計(jì)水平，縮短了研發(fā)周期。

通過專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件如UG、Pro/E等，建立活塞摩擦副部件 (活塞、活塞銷和連桿小頭)的三維模型，然后將建立的三維模型導(dǎo)入分析軟件，通過分析軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于活塞是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以考慮分析活塞的四分之一的結(jié)構(gòu)模型。然后對(duì)模型輸入邊界條件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，圖1所示是通過軟件生成的帶有限元網(wǎng)格的活塞模型。

圖1 活塞有限元模型

1.模擬分析技術(shù)的研究

(1)針對(duì)活塞溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)燃燒氣體爆炸燃燒產(chǎn)生的熱量通過活塞的燃燒室上表面、活塞頂以及活塞的喉口處向下傳遞熱量，然后熱量通過活塞環(huán)、環(huán)岸以及活塞的裙部將熱量傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)缸套。同時(shí)熱量通過活塞內(nèi)腔傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液。另外還有一部分熱量通過活塞的銷座將熱量傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞銷上。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的每個(gè)循環(huán)工況中，溫度的變化影響著活塞表面下2mm以內(nèi)的厚度層，再往下活塞的內(nèi)部基本不受影響，屬于穩(wěn)定狀態(tài)。因此在活塞傳熱分析時(shí)，對(duì)活塞溫度場(chǎng)分布分析一般按此穩(wěn)定狀態(tài)處理。

具體做法:首先建立活塞、活塞銷、連桿小頭的三維組合模型，通過分析穩(wěn)定狀態(tài)的傳熱情況，找出活塞穩(wěn)定場(chǎng)的分布情況。然后將活塞材料性能參數(shù)以及活塞表面的溫度和換熱系數(shù)等輸入軟件系統(tǒng)，由軟件自動(dòng)處理完成活塞熱傳導(dǎo)的有限元分析。經(jīng)過軟件計(jì)算完成后，就能夠得到活塞溫度場(chǎng)分布的各種結(jié)果，如圖2所示。

圖2 活塞溫度場(chǎng)分布

(2)針對(duì)活塞綜合應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析 活塞在發(fā)動(dòng)機(jī)工況過程中承受的機(jī)械負(fù)荷有三種:燃?xì)鈮毫?、往?fù)慣性力和側(cè)向壓力。這其中活塞承受的燃?xì)鈮毫屯鶑?fù)慣性力的受力方向相反，因此往復(fù)慣性力能夠抵消燃?xì)鈮毫Φ淖饔谩榱耸够钊脑O(shè)計(jì)能夠具有足夠的安全系數(shù)，在對(duì)設(shè)計(jì)的活塞進(jìn)行有限元分析時(shí)，可以不考慮活塞的往復(fù)慣性力。在活塞、活塞銷、連桿模型有限元分析時(shí)為了使約束條件和實(shí)際狀況相近，應(yīng)當(dāng)盡可能的減少活塞銷孔處接觸對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

把活塞節(jié)點(diǎn)分布溫度輸入模型，得到活塞熱機(jī)耦合的熱負(fù)荷。軟件經(jīng)過七次迭代計(jì)算，復(fù)合最大主應(yīng)力圖3和復(fù)合變形分布圖4所示。

圖3 復(fù)合最大主應(yīng)力

圖4 復(fù)合變形分布

(3)活塞疲勞分析技術(shù) 把輸入ANSYS系統(tǒng)計(jì)算出活塞綜合應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)作為活塞熱疲勞的載荷，ANSYS/FE－SAFE軟件利用應(yīng)力－壽命曲線進(jìn)行多軸疲勞分析和Goodman平均應(yīng)力修正，得到如圖5疲勞循環(huán)次數(shù)和圖6疲勞安全系數(shù)。由此可以看出，當(dāng)疲勞循環(huán)次數(shù)在1.0×1010以上，疲勞安全系數(shù)在1.0以上，可滿足活塞疲勞壽命的設(shè)計(jì)要求。

圖5 疲勞循環(huán)次數(shù)

圖6 疲勞安全系數(shù)

(4)活塞動(dòng)態(tài)模擬仿真技術(shù) 采用Ricardo軟件對(duì)基于活塞銷，連桿和活塞的二級(jí)動(dòng)力學(xué)過程中(活塞在汽缸中的除了往復(fù)運(yùn)動(dòng)的其他運(yùn)動(dòng))的力和力矩計(jì)算一個(gè)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中，活塞和氣缸壁之間以及活塞與活塞銷之間的潤(rùn)滑和摩擦情況。采用集成化的建模方法分析活塞環(huán)的運(yùn)動(dòng)、摩擦、潤(rùn)滑、磨損、竄漏和潤(rùn)滑油耗損，分析如圖7所示。

圖7

2.結(jié)語(yǔ)

采用數(shù)值模擬分析技術(shù)是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)成功率并降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)成本的重要措施。通過軟件的成功應(yīng)用，將原有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬分析計(jì)算，提高了產(chǎn)品的一次設(shè)計(jì)開發(fā)成功率，能夠降低發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件開發(fā)費(fèi)用25%左右，產(chǎn)品開發(fā)周期至少縮短10天。