摘 要：在有限元分析的基礎(chǔ)上，采用材料替換及結(jié)構(gòu)拓補(bǔ)優(yōu)化的方法對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)活塞進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。利用SolidWorks 建立活塞三維模型，將活塞原始材料1015鋁合金替換為7075 鋁合金；運(yùn)用Altair Inspire有限元分析軟件分別對(duì)兩種材料的活塞進(jìn)行靜力學(xué)分析及模型質(zhì)量測量，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。仿真結(jié)果表明：優(yōu)化后活塞質(zhì)量減輕了64%，活塞的最大應(yīng)力減小了12%，安全系數(shù)提升了3.7。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)活塞；有限元分析；輕量化；應(yīng)力分析

中圖分類號(hào)：TH457文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-5276（2024）03-0239-04

Lightweight Design of Engine Piston Based on Finite Element Analysis

Abstract：Based on the finite element analysis， the lightweight design of an engine piston is carried out by the methods of material replacement and structural topology optimization. SolidWorks is used to establish a 3D model of the piston. 1015 aluminum alloy， the original material of the piston， is replaced by 7075 aluminum alloy. Altair Inspire is applied to conduct static analysis and model mass measurement for the pistons of the two materials， and structure optimization is carried out by topology optimization method. The simulation results show that after material replacement and structure optimization， the piston mass is reduced by 64%， the maximum stress of the piston reduced by 12%， and the safety factor increased by 3.7.

Keywords：engine piston; finite element analysis; lightweight; stress analysis

0 引言

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的最關(guān)鍵零部件，其質(zhì)量將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能［1］。若要保證發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，活塞的強(qiáng)度及剛度必須達(dá)到力學(xué)性能要求，但單純增加活塞材料厚度不僅會(huì)增加質(zhì)量，增加運(yùn)行能量消耗，還會(huì)增大制造成本。因此，有必要對(duì)活塞進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)輕量化設(shè)計(jì)主要采用兩種方式，一種是根據(jù)疲勞強(qiáng)度理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)度得到提高，從而減少材料使用，減輕質(zhì)量［2］；另一種則是通過材料替換，應(yīng)用高性能材料來減輕質(zhì)量［3］。

本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)活塞為研究對(duì)象，首先建立活塞的三維模型，然后進(jìn)行材料替換，在此基礎(chǔ)上利用有限元分析方法分別對(duì)兩種材料活塞的強(qiáng)度、剛度特性進(jìn)行分析，之后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化［4］，最后根據(jù)有限元分析結(jié)果、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在滿足力學(xué)性能要求的基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化后活塞模型的強(qiáng)度、剛度特性進(jìn)行有限元分析，通過與優(yōu)化前的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)的有效性。

1 模型的建立

活塞大致可分為活塞、連桿、活塞銷3部分，如圖1所示。

由于活塞銷主要起到連接連桿與活塞的作用，結(jié)構(gòu)也較為規(guī)范，因此，能夠進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的主要是活塞部分［5-6］?；钊饕苫钊敳?、活塞裙部及銷孔組成，而只有活塞裙邊的內(nèi)側(cè)部分，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因此用SolidWorks三維軟件建立活塞三維模型，如圖2所示。

2 輕量化材料

基于材料替換與有限元分析的輕量化設(shè)計(jì)過程如圖3所示。在建完三維模型后，需要進(jìn)行材料替換，優(yōu)化前活塞使用的材料是1015鋁合金，對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)需要在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)選用更加輕質(zhì)的材料進(jìn)行替換。7075 鋁合金具有強(qiáng)度高、韌性好、密度低等優(yōu)點(diǎn)，普遍應(yīng)用于航空航天、軍工等領(lǐng)域，是較為合適的活塞輕量化材料［7］。因此，本文選擇7075鋁合金進(jìn)行材料替換。1015 鋁合金與7075 鋁合金的材料特性如表1所示。

3 有限元分析

3.1 創(chuàng)建模型載荷工況

將三維模型輸入到Altair Inspire，對(duì)原始幾何模型添加約束以及外部載荷條件，如圖4所示。1）中間兩處圓孔位置添加固定約束；2）垂直于活塞上表面施加10MPa的壓力；3）活塞側(cè)面施加5MPa的壓力。

3.2 結(jié)果分析

對(duì)活塞有限元模型設(shè)置相應(yīng)的約束和載荷后，分別對(duì)兩種材料進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算應(yīng)力、安全系數(shù)與最大位移。

1）1015鋁合金

如圖5所示為采用1015鋁合金的活塞有限元分析結(jié)果。從圖中可以看出，最大應(yīng)力為50.77 MPa，出現(xiàn)在活塞銷孔正上方內(nèi)側(cè)部位。這是由于在工作時(shí)，頂部受到燃燒室氣體燃燒做功而產(chǎn)生的較大壓力，同時(shí)受到連桿與活塞銷的阻力，在銷孔正上方處產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力。與此同時(shí)，活塞的最小安全系數(shù)為5.6，最大形變?yōu)?.006 2mm。

2）7075鋁合金

如圖6所示為采用7075鋁合金的活塞有限元分析結(jié)果。材料改變時(shí)，最大應(yīng)力變化不大，為50.42 MPa，依然集中在活塞銷孔正上方內(nèi)側(cè)部位。但由于7075鋁合金較1015鋁合金有更高的屈服應(yīng)力及較小的彈性模量，因此經(jīng)過材料替換后，活塞的最小安全系數(shù)提高至8.2，最大形變增大至0.016 7mm。

3.3 對(duì)比分析

由圖5、圖6可知，初始活塞變形最大的部位出現(xiàn)在活塞頂?shù)倪吘壊糠?，主要是由于這個(gè)部位處于邊緣而支撐中間，受到的支撐力較小，但由于1015鋁合金于本身彈性模量較大，所以整體形變量并不大。初始活塞最大應(yīng)力為50.77MPa，遠(yuǎn)小于1015鋁合金的屈服極限，所以模型的剛度是符合要求的。材料替換后，新活塞與原活塞相比應(yīng)力相差不大，并且由于7075 鋁合金的屈服極限要高于1015鋁合金，所以活塞強(qiáng)度符合要求，同時(shí)安全系數(shù)也明顯增大。但最大應(yīng)力降低仍不明顯，因此還需要對(duì)活塞進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)上使活塞強(qiáng)度增加。

4 拓?fù)鋬?yōu)化分析

4.1 指定設(shè)計(jì)空間

在Altair Inspire拓?fù)鋬?yōu)化中，指定活塞裙部為設(shè)計(jì)空間，如圖7所示。被指定的設(shè)計(jì)空間在優(yōu)化算法下，根據(jù)設(shè)定的條件最大可能地剔除多余的材料，直至最終形狀成型為止，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式具有良好的受力特性和良好的制造工藝性［8］。

考慮到在實(shí)際工作時(shí)，活塞頂部起著傳熱、環(huán)槽與活塞桿配合以及密封的作用，活塞裙部起著導(dǎo)向作用，須保證活塞銷孔對(duì)稱面上的裙部高度不變［9］，因此活塞裙部、銷孔為設(shè)計(jì)空間，活塞頂為非設(shè)計(jì)空間。

4.2 優(yōu)化參數(shù)設(shè)定

鑒于活塞惡劣的工況以及前文活塞件的靜力學(xué)分析結(jié)果，可知活塞要有足夠的強(qiáng)度和剛度，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和持久耐用。因此，在Altair Inspire軟件中，將最大化剛度設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)并勾選保持形狀平滑以使優(yōu)化結(jié)果連續(xù)［10］。結(jié)合原始結(jié)構(gòu)和工藝性考慮，本文采用的質(zhì)量目標(biāo)范圍為30%～40%。

4.3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

根據(jù)圖8所示的拓?fù)浣Y(jié)果，發(fā)現(xiàn)活塞設(shè)計(jì)區(qū)域的材料分布沿活塞銷孔中央向兩側(cè)遞減，在活塞銷孔附近基本沒有材料的去除，這是由于活塞在工況中承受極大的垂向載荷，垂向載荷對(duì)結(jié)構(gòu)中間部分有較大影響，而對(duì)遠(yuǎn)離中間部分及末端影響有限。對(duì)于活塞的工況來說，主要是把活塞銷孔以及活塞缸壁支撐的材料保留住，從而降低材料的質(zhì)量，但需要特別注意的是支撐的厚度不能過薄，否則在實(shí)際使用中會(huì)承受不住一定的載荷壓力。

4.4 結(jié)構(gòu)重構(gòu)

根據(jù)圖5、圖6的分析結(jié)果以及圖8的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果得出以下優(yōu)化方案：

1）應(yīng)力主要集中在孔上方形狀突變的位置，因此將活塞裙部兩邊凹下去的面拉伸3mm使其與里面持平，并且把銷孔也延長3mm使其剛好與活塞裙配合的同時(shí)也增加支撐的受力面積；

2）為了控制質(zhì)量的增加，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，在避開受力集中點(diǎn)、不影響強(qiáng)度的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在活塞裙部與活塞頂部接觸部分的面積可以適當(dāng)?shù)販p少。因此在活塞裙的上方打半徑為5mm、深度為13mm的7個(gè)小孔并進(jìn)行圓角處理，避免應(yīng)力集中，在減少質(zhì)量的同時(shí)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承受能力。

采用SolidWorks對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的新活塞模型如圖9所示。雖然活塞裙部形狀突變處增加了材料，但與在活塞裙上面打了小孔后減少的材料差不多，并且由于鋁合金的密度小，改進(jìn)后的活塞質(zhì)量為0.531 kg，與初始活塞的1.51 kg 相比，質(zhì)量仍然減少了64%。

5 強(qiáng)度校核

將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的活塞模型再次輸入到Altair Inspire，使其與原活塞模型受力情況一致，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖10、表2所示。從圖10與表2可知，在原模型上進(jìn)行材料替換與結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定效果，經(jīng)過優(yōu)化后，最大應(yīng)力為44.67 MPa，相較于初始活塞最大應(yīng)力減少了12%，且遠(yuǎn)小于7075鋁合金的屈服極限；安全系數(shù)為9.3，相較于初始活塞提升了3.7；雖然最大形變位移增加了0.009mm，但是對(duì)活塞的工作影響微乎其微，可以忽略不計(jì)。

6 結(jié)語

本文通過材料替換與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的輕量化設(shè)計(jì)，使活塞質(zhì)量減輕了64%。有限元分析仿真結(jié)果表明： 經(jīng)過優(yōu)化，活塞的最大應(yīng)力降至44.67 MPa，減少了12%；最小安全系數(shù)為9.3，安全系數(shù)提升了3.7。由此可見，采用材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的方法，可有效實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。